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ST2E||Stockage et Transformation Electrochimiques de l’Energie

Un nouveau type de matériau d’électrodes pour le stockage d’énergie

Projet_ANR_Ladhy

Financées en tout ou partie, par l’ANR (Agence nationale de la recherche) au titre du projet Hydroxydes lamellaires pour systèmes de stockage innovants – LaDHy – AAP 2020, des chercheurs de l’Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel et de l’Institut de chimie de Clermont-Ferrand travaillent avec la direction recherche et développement d’EDF.

Les hydroxydes doubles lamellaires sont des matériaux prometteurs pour le stockage d’énergie, combinant les avantages des batteries et des supercondensateurs. Leur faible tenue lors de cycles de charge/décharge a été multipliée jusqu’au centuple.

 

Sources CNRS Le Journal : https://lejournal.cnrs.fr/nos-blogs/focus-sciences/un-nouveau-type-de-materiau-delectrodes-pour-le-stockage-denergie

 

ANR RROC - English

Robust Monolithic Reversible Solid Oxide Cell
(Projet-ANR-22-CE05-0030)Rroc

Octobre 2022 - Septembre 2026

Partenaire IMN du projet : Clément NICOLLET  (équipe ST2E)

Coordinateur :
SRT Microcéramique Vendôme
Partenaires :
Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé (Lamé Orléans)
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER Limoges)
ENGIE

Personnels IMN impliqués :
Annie LE GAL LA SALLE (CR CNRS)

High-temperature electrolysis (SOEC) is as a technology with significant potential, positioning itself as a relevant solution for several markets in the medium/long term (2025 – 2030), mainly: (i) large-scale H2 production due to its high energy efficiency when external heat is available, (ii) "Power-to-X" by coupling SOEC with chemical reactors to produce various fuels/liquids such as ammonia, methanol, and formic acid, and (iii) "Power-to-Power" due to its ability to operate reversibly between SOEC (electrolysis) and SOFC (fuel cell) modes.

From an industrial perspective, the main aspects to consider are performance, durability, scalability/manufacturing capacity, and operational flexibility (temperature, feed gas composition, produced gas, etc.). In particular, durability is a critical aspect for most SOEC applications and must be given great attention, as it directly impacts the economic viability of many emerging commercial solutions incorporating SOEC technology. To address these aspects, this project named RROC aims to develop and optimize a breakthrough SOEC technology based on an industrial-scale cell that will integrate innovative architectures as well as alternative SOEC materials through scalable and competitive processes. These innovative architectures also aim for standardized industrial production based on the expertise of the RROC project partners while achieving performance and durability levels close to the current state-of-the-art and compatible with commercialization for the three main markets of interest mentioned earlier.

This innovative SOFC/SOEC architecture is based on three major original approaches:

  • Optimization of cell design and material selection through thermomechanical modeling of systems under operational conditions, allowing for improved durability.
  • Monolithic design corresponding to higher thermochemical properties, achieved through the co-casting process of tapes, allowing for improved durability and cost reduction.
  • Simple shaping process (co-casting or over-casting of tapes) of the cells to limit the number of production steps and production costs, enabling low-cost production.

 

ANR MEMPACAP - English

Micro-condEnsensateur 3D hybride, coMpact et tout solide Pour l’électronique hAute tension à Charge rAPide
(Projet-ANR-22-CE24-0007)Mempacap

Version française

Octobre 2022 - Novembre 2026

Partenaire IMN du projet : Thierry BROUSSE  (équipe ST2E)

Coordinateur :
Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN Villeneuve-d'Ascq)
Partenaires :
Unité de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Villeneuve-d'Ascq)
Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT Toulouse)CIRIMAT Toulouse)

Personnels IMN impliqués :
Laurence ATHOUEL (MC UNIV), Olivier CROSNIER (MC UNIV), Camille DOUARD (IE CNRS)
Bernard HUMBERT (PR UNIV), Jean LE BIDEAU (PR UNIV), Jean-Yves MEVELLEC (IR CNRS)

 

The MEMPACAP project (48 months) aims to fabricate compact, packaged fast-charging storage micro-sources with high storage capacity, operating over a wide temperature range (-40 to 150°C) and delivering a unit cell voltage that can be modulated from 10 to 50 volts.  To achieve this, the micro-source will combine a large-area metal electrode covered with a dielectric film with a (pseudo)capacitive electrode to form a hybrid micro-capacitor. Ion conduction will be ensured by a solid electrolyte of the ionogel type in its most advanced version. As the surface capacitance of a flat metal/dielectric electrode is low, it will be exacerbated by the use of a 3D hierarchical skeleton with a high developed surface area, on which the electrode materials (metal and insulator) will be deposited. The second (pseudo)capacitive electrode will be deposited on the rear face of a hermetically sealed cover (fig. 1a-c). The application field are numerous: powering sensors in the automotive industry, implanted defibrillators for the medical sector, energy sources for radars and power lasers, for aerospace and military applications. This collaborative project brings together 4 laboratories (IEMN, UCCS, IMN, CIRIMAT) with complementary expertise.

ANR HOMERE - English

Engineering Multifunctional Hybrid Organic Materials for Electrochemical Energy Storage
(Projet-ANR-22-CE05-0011)Homere

Octobre 2022 - Septembre 2026

Partenaire IMN du projet : Olivier CROSNIER  (équipe ST2E)

Coordinateur :
MOLTECH-Anjou Angers
Partenaires :
Institut des Sciences Chimiques (ISCR Rennes)
Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT)

Personnels IMN impliqués :
Thierry BROUSSE (PR UNIV), Camille DOUARD (IE CNRS)

 

HOMERE aims at the development of advanced electroactive molecules/porous carbons hybrid materials for supercapacitors to combine the high capacity of redox groups and the fast charge storage kinetic of carbons. The deliverables of the project are materials suitable for high-energy, high-power and high-stability systems. Conditions for the fulfillment of these objectives require not only to limit the obstruction of the carbon porosity by accumulation of molecules at the pores entrance, but also to improve the accessibility of porosity to ions, while reducing leaching of the organic modifier. To this end, two complementary strategies will be implemented by HOMERE allowing for a better integration of molecules into carbon based supercapacitors either by controlling the covalent grafting of molecules onto the carbon surface to avoid multilayer formation or by introducing molecules as pendant groups in well-defined multifunctional polymers used as binder in supercapacitor electrodes.

 

ANR COMPAGNON - English

Composite piézo-magnétique par frittage sous champ
(Projet-ANR-22-CE09-0023)Compagnon

Octobre 2022 - Septembre 2026

Partenaire IMN du projet : Philippe MOREAU  (équipe ST2E)

Coordinateur :
Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux (LSPM Villetaneuse)
Partenaires :
GREMAN Université de Tours
Institut des Sciences Analytiques et de Physico-Chimie pour l'Environnement et les Matériaux (IPREM Pau)

Personnels IMN impliqués :
Nicolas GAUTIER (IE CNRS), Eric GAUTRON (IR CNRS), Amina MERABET (CDD IE CNRS)

 

Our project concerns the development of a composite material which, thanks to its innovative chemical composition and structuring, will offer new functions enabling these magnetic characteristics to be modulated by an electric field. The aim is to shape composites whose matrix is made up of an inorganic piezoelectric phase and whose inclusions are based on acicular ferromagnetic nano-objects. The use of lead-free piezoelectric compounds and rare-earth-free magnets will be proactive in relation to current regulations. A new, economical and environmentally-friendly production process will be developed. One of the project's original features will be to combine Spark Plasma Sintering with the presence of a magnetic field to shape the composites. This sintering process will enable the magnetic phase to be organized within the piezoelectric phase, optimizing its magnetic-electric coupling properties. These properties will be studied in relation to the interface micro- and nanostructure.

The main innovative objectives of the COMPAGNON project are :

- The development of an innovative composite with coupled functions enabling the permanent magnet characteristics (Mr, Ms, Hc and Ka) to be modulated by an electric field, and with coupling coefficients of the order of hundreds of mV.cm-1.Oe-1.
- Characterization of interfaces in composites using advanced multi-scale techniques: atomic (high-resolution TEM, EELS, etc.), nanostructural (FIB-3D) and composite (XPS, PDF, etc.).
- Contribute to understanding the link between structure-composition-interface within nanocomposites (nanowires-matrix) and the ME properties obtained.
- Overcome fundamental challenges (nucleation and growth of nanowires, development of core@shell systems, magneto-electric coupling, control of grain size, interfaces and densification/structuring of composites......) and technological challenges (field nanostructuring) in the field of multifunctional materials.
- Permanent magnets with a magnetic field of the order of 1 T, without rare earths, whose intensity can be controlled by an electric field.

 

ANR SIMPA-English

Catalytic Sorbent bed for IMproved Production of methAnol
(Projet-ANR-22-CE50-0019)Simpa

Octobre 2022 - Avril 2026

Partenaire IMN du projet : Thomas DEVIC  (équipe ST2E)

Coordinateur :
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Schiltigheim)
Partenaires :
Catalyse, Polymérisation, Procédés et Matériaux (CP2M Lyon)
Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM Montpellier)

Personnels IMN impliqués :
Stéphane GROLLEAU (AI UNIV), Michaël PARIS (IR CNRS), Dorian REY (CDD)

The SIMPA project is part of the Power-To-Fuels theme. It aims to overcome the thermodynamic limitation of methanol production from CO2 and renewable H2 by combining a water sorption function and a catalytic function in the same bed. It will focus on developing catalytic sorbent beds of increasing technical sophistication. Conventional sorbents/catalysts will initially be studied in order to implement the various techniques aimed at characterizing water adsorption (sorption capacity, selectivity with respect to methanol and CO2, desorption) under the targeted conditions (typically 20 bar, 230°C) and assessing catalytic performance in the presence of sorbent. MOF-type sorption materials will then be studied and characterized under hydrothermal conditions. Catalysts for methanol synthesis from CO2 will be developed, to be active at low temperatures and more selective in methanol. Sorbent bed/catalyst geometries will be studied to optimize methanol yields. The reaction will be implemented in sequential sorption-reaction-desorption mode in two parallel reactors. Finally, all-in-one catalytic sorbents will be developed. Finally, beyond experimental proof in sequential mode, multi-scale modeling (sorption, diffusion, chemical kinetics, reactor, sequential mode process) will enable us at the end of the project to propose optimal operating conditions and cycling strategy for the water sorption-assisted methanol synthesis reaction.

OPINCHARGE - HORIZON -English

OPINCHARGE - HORIZON-CL5-2022-D2-01
(Projet OPINCHARGE)

Juin 2023 - Mai 2026


Budget total 5 M€
Budget IMN : 720 k€

 

Porteur du projet :  Santhana ESWARA MOORTHY (laboratoire LIST, Luxembourg

Partenaire IMN du projet : Philippe MOREAU (équipe ST2E)

Personnels IMN impliqués
Patricia ABELLAN (CR PMN), Ivan LUCAS (MCF ST2E), Rizki HANIFAH (doctorante ST2E), Hannah NICKLES JAKEL ( doctorante ST2E), Eric GAUTRON (IR)

 

Coordinateur :
Luxembourg Institute of Science and Technology

Partenaires :
CIC energiGUNE : Centro de Investigacion Cooperativa de Energias
Deutsches Zentrum fur Luft - und Raumfahrt EV
Deutsches Forschungszentrum fur Kunstliche INT
FEI Electron Optics BV
Fundacion Cidetec
Universitaet Paderborn
Pedal Consulting SRO
Paul Scherrer Institut

 

Battery innovation has played a major role in the development of new energy production & transport technologies, becoming true enablers of a clean, affordable and secure energy economy. However, innovation is currently being hindered by the lack of understanding of the processes happening at atomic levels in the batteries' interfaces and interphases. Thus, the OPINCHARGE consortium aims to develop a set of effective operando nanoanalytical techniques and methodologies to understand the interfacial processes in batteries in unprecedented level of detail.

For this, 10 organizations from 7 different countries will work together, combining their expertise and infrastructure, to find new ways of addressing this challenge. This will be fostered through 3 main pillars of technique innovation: chemical-based, isotope-based, and physics-based. Consequently, main techniques to be addressed operando will be: X-ray scattering, enhanced Raman, STEM-EELS & EDX, FIB-SIMS, Neutron imaging, OEMS and NMR.

Parallelly, the consortium will integrate AI/Machine Learning support, in order to improve data acquisition and analysis, making the data crunching processes more efficient and meaningful. Likewise, data treatment and sharing are cornerstones of the project, as Open Science practices and scientific collaboration with the community are recognized by the consortium as key aspects of the BIGMAP objectives of the Batteries partnership and 2030+ programmes.

With a 36 month duration, the project is divided in 7 work packages distributed among the partners according to their expertise, with LIST as leader of the consortium. Dissemination, exploitation and communication activities will allow to maximize the impact of the results and the outreach of these, by actively promoting the diffusion of the information derived from the activities of the project.

NOUVEAU - H2020 - english

NOUVEAU -

Septembre 2022 - Août 2025

Responsable Scientifique IMN du projet : Annie LE GAL LA SALLE  (équipe ST2E)

Personnels IMN impliqués :

Valentin BRARD (doctorant ST2E), Eric QUAREZ (CR ST2E), Clément NICOLLET (CR ST2E) et Olivier JOUBERT (PR ST2E)

 
Coordinateur :
VLAAMSEINSTELLINGVOORTECHNOLOGISCH   Belgique
 
 
Partenaires :
 
FORSCHUNGSZENTRUM JULICHGMBH           Allemagne
 
MARION TECHNOLOGie SA                        France

COATEMACOATINGMACHINERYGMBH          Allemagne

TECHNISCHEUNIVERSITEITEINDHOVEN           Pays-Bas

QSARLABSPOLKAZOGRANICZONAODPOWIEDZIALNOSCIA      Pologne

Fundacion  IMDEA                                    Espagne

Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)            France

Institut des Matériaux de Nantes  Jean Rouxel                   France

Fiaxel SARL                                            Suisse


 

The NOUVEAU project will develop solid oxide cells (SOCs) with innovative La- and PMG-free electrode materials, solid electrolyte and interconnects with an overall reduced amount of REE (30%), recycled Yt (50-70%) and Cr (20%). To this end, advanced coating methodologies and modelling will be employed in combination with sustainable-by-design and recycling approaches. Integrated models will be adapted and developed to predict physicochemical properties/toxicity endpoints in real life scenarios, including multiscale models; data-based modelling (SHF, SPF); user-ready modelling for industrial deployment (SSbD tools); standardisation and regulatory compliance (REACH updates).

By addressing resource and energy efficiency through material design and waste management, NOUVEAU will create opportunities for increased circularity of raw materials, lower climate impact and decreased criticality of solid oxide cells materials.

To validate the NOUVEAU projects objectives and their economic, commercial and environmental impact, a comprehensive set of assessment techniques will be used, including life-cycle analysis, cost analysis, and social and eco-efficiency life-cycle analysis. The assessment results will guide the projects efforts towards optimised resource efficiency and SOC upscaling with improved stability benchmarked against the reference state-of-the ones.

More specifically, NOUVEAU will benefit from the complementarity and scalability of the green inks development in combination with spray printing, slot die coating and convection and radiation drying. The NOUVEAU project draws on the complementary expertise of applied research centres and innovation driven companies, including Marion Technologies, Coatema, Fiaxell and QSAR Lab, in the field of materials design, SOC engineering and multi-scale modelling, including in silico methodologies (machine learning, artificial intelligence).

Batteries tout-solide : triple fonction d’un électrolyte pour surpasser les performances de la batterie Li-ion

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Grâce à une nouvelle utilisation d’un électrolyte solide à base de lithium, de zirconium et de chlore, les batteries tout-solide  pourraient

bientôt surpasser les batteries Li-ion tout en étant bien plus sûres. C’est ce que montrent des chimistes du CNRS, en collaboration avec une équipe américaine, dans une étude parue dans le Journal of the Electrochemical Society.

 

Joël Gaubicher, Chercheur CNRS

Philippe Moreau, Enseignant-Chercheur Nantes Université

 

Sources CNRS - Institut de Chimie : https://www.inc.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/batteries-tout-solide-triple-fonction-dun-electrolyte-pour-surpasser-les-performances-de

 

PEPR CELCER-EHT

PEPR CELCER-EHT : Cellules Céramiques EHT durables, performantes et bas coût
(ICMCB UMR / CNRS / Université de Bordeaux)Celcer

Août 2021 - Juillet 2027

Partenaire IMN du projet : Olivier JOUBERT   (équipe ST2E)

Coordinateur :
CEA-Liten
Partenaires :
CIRIMAT UMR 5085 / CNRS / Université de Toulouse 3
FEMTO-ST UMR 6174 / CNRS / Université Bourgogne Franche Comté

GREMI UMR 7344 / CNRS / Université d’Orléans
ICMCB UMR / CNRS / Université de Bordeaux
ICPEES UMR 7515 / CNRS / Université de Strasbourg
IRCER UMR 7315 / CNRS / Université de Limoges
IRCP UMR 8247 / CNRS / ENSCP Chimie Paristech
LEPMI UMR 5279 / CNRS / Université Grenoble Alpes / Grenoble-INP
LGF UMR 5307 / CNRS / ENS Mines de Saint Etienne
UCCS UMR 8181 / CNRS / Université de Lilles / ENS Centrale Lille

Le projet CELCER-EHT vise le développement de cellules d’Electrolyse de la vapeur d’eau à Haute Température (EHT) offrant des niveaux de performance et durabilité au-delà de l’état de l’art actuel : 

  •          En 2024, grâce à une amélioration aigue des matériaux de cellule actuels, un niveau de dégradation de 1%/1000h lors d’un fonctionnement à 0.85 A/cm² et 1.3V par cellule, ainsi qu’une robustesse de l’électrode à hydrogène autorisant un temps de démarrage à froid de 8h et de démarrage à chaud de 300s. 
  •         A l’horizon 2026, grâce à la mise en oeuvre de nouveaux matériaux considérés aujourd’hui comme très prometteurs, un niveau de dégradation de 0,7%/1000h lors d’un fonctionnement à 1 A/cm² et 1.3V par cellule.

Ces cibles, incluses dans les feuilles de route française et européenne, conditionnent la commercialisation de l’EHT et positionne le projet CELCER-EHT en réponse directe de la priorité n°1 du plan national Hydrogène : « décarboner l’industrie en faisant émerger une filière française de l’électrolyse ».

La stratégie de recherche pour atteindre ces objectifs ambitieux est centrée sur le développement de matériaux et de procédés et se décline en deux temps. A court terme, le projet vise à tirer le meilleur parti des matériaux de cellule aujourd’hui les plus prometteurs (cermet Ni-YSZ, zircone dopée et oxydes de type perovskite) en optimisant leurs compositions, leurs microstructures et leurs interfaces. A plus long terme, la recherche porte sur le développement de nouveaux matériaux de cellule (e.g. cérine dopée, nickelates et produits de décomposition), de nouvelles microstructures (e.g. poudres coeur-coquilles, interfaces fonctionnalisées, texturation) et sur leur mise en oeuvre dans une cellule totalement en rupture.

Les développements matériaux et procédés intègrent le cahier des charges spécifique et extrêmement sévère de l’EHT et sont organisés suivant une démarche exhaustive depuis l’accroissement des propriétés intrinsèques des matériaux jusqu’à la définition de microstructures spécifiques de l’électrolyse intégrées et optimisées en cellule. Cette démarche s’appuie d’une part sur des caractérisations avancées de plusieurs natures (chimique, électrochimique, mécanique et microstructurale), à différentes échelles (matériau, cellules symétriques, cellules complètes) et dans les conditions opératoires et d’autre part sur les résultats de modélisation et de simulation multi physique et multi échelle constituant des jumeaux numériques.

Les partenaires du projet sont tous des scientifiques reconnus dans le domaine des cellules céramique pour l’EHT. Ils rassemblent le socle d’expertises nécessaire à l’atteinte des objectifs ambitieux du projet : en chimie du solide sur différentes familles de céramiques ou de vitrocéramiques (CIRIMAT, IMN, ICMCB et UCCS), en catalyse (ICPEES), en dépôt et caractérisation de couches minces céramiques avec différentes techniques de dépôt (FEMTO, IRCP, GREMI et LEPMI), en mise en oeuvre des céramiques (CEA-LR, CEA Liten et IRCER), en électrochimie (CEA-Liten, ICMCB, IMN, IRCP et LEPMI), ainsi qu’en caractérisation microstructurale avancée et modélisation multi-physique et multi-échelle (CEA-Liten, ICPEES et LGF). Tel que constitué, le consortium a la capacité d’accélérer le développement de céramiques complètement nouvelles et de les mettre en oeuvre dans des cellules au-delà de l’état de l’art dans un délai réduit. 

Au sein du PEPR H2, Le projet CELCER-EHT (PC1) se positionne en complémentarité des projets PROTEC (PC2) et FLEXISOC (PC5). Ces trois projets seront conduits en étroite synergie car bien qu’ils concernent des cahiers des charges, des matériaux et des tests différents, ils font appel aux mêmes domaines d’expertise. 

OPINCHARGE - HORIZON

English version

OPINCHARGE - HORIZON-CL5-2022-D2-01
(Projet OPINCHARGE)

Juin 2023 - Mai 2026


Budget total 5 M€
Budget IMN : 720 k€

 

Porteur du projet :  Santhana ESWARA MOORTHY (laboratoire LIST, Luxembourg

Partenaire IMN du projet : Philippe MOREAU (équipe ST2E)

Personnels IMN impliqués
Patricia ABELLAN (CR PMN), Ivan LUCAS (MCF ST2E), Rizki HANIFAH (doctorante ST2E), Hannah NICKLES JAKEL ( doctorante ST2E), Eric GAUTRON (IR)

 

Coordinateur :
Luxembourg Institute of Science and Technology

Partenaires :
CIC energiGUNE : Centro de Investigacion Cooperativa de Energias
Deutsches Zentrum fur Luft - und Raumfahrt EV
Deutsches Forschungszentrum fur Kunstliche INT
FEI Electron Optics BV
Fundacion Cidetec
Universitaet Paderborn
Pedal Consulting SRO
Paul Scherrer Institut

 

L'innovation dans le domaine des batteries a joué un rôle majeur dans le développement de nouvelles technologies de production d'énergie et du transport. Véritable catalyseur pour une économie basée sur une énergétique propre, abordable et sûre, l'innovation est actuellement entravée par le manque de compréhension des processus qui se déroulent au niveau atomique dans les interfaces et les interphases des batteries. Le consortium OPINCHARGE a pour objectif de développer un ensemble de techniques et de méthodologies nanoanalytiques en mode operando efficaces pour comprendre les processus interfaciaux dans les batteries. L’enjeu du projet est d’atteindre un niveau de détail sans précédent.

10 organisations de 7 pays différents travailleront ensemble, en combinant leur expertise et leurs instrumentations, afin de trouver de nouvelles façons de relever ce défi. Cette collaboration sera favorisée par trois piliers principaux d'innovation : de nouvelles techniques chimiques,  isotopiques et physiques. Les principales techniques qui seront utilisées et développées  seront les suivantes : Diffusion des rayons X, Raman amplifié, STEM-EELS & EDX, FIB-SIMS, imagerie neutronique, OEMS et RMN.

Parallèlement, le consortium intégrera l'IA/apprentissage machine afin d'améliorer l'acquisition et l'analyse des données, ce qui rendra les processus d'analyse des données plus efficaces et plus pertinents. Dans la même mesure, le traitement et le partage des données sont des pierres angulaires du projet. Les pratiques de science ouverte et la collaboration scientifique avec la communauté sont reconnues par le consortium comme des aspects clés des objectifs BIGMAP du  programme Batteries2030+.

D'une durée de 36 mois, le projet est divisé en 7 blocs de travail répartis entre les partenaires en fonction de leur expertise, le LIST étant le chef de file du consortium. Les activités de diffusion, d'exploitation et de communication permettront de maximiser l'impact des résultats. La portée de ceux-ci promeut activement la diffusion de l'information dérivée des activités du projet.

MUSIC

MUSIC    (Materials for Sustainable Sodium Ion Capacitors)

Janvier 2023 - Décembre 2026

 

Partenaire IMN du projet : Thierry BROUSSE (équipe ST2E)

Personnels IMN impliqués :

 Camille DOUARD, Jean-Yves MEVELLEC, Olivier COSNIER, Laurence ATHOUEL, Jean LE BIDEAU, Bernard HUMBERT, Philippe POZOT, Steven RENAULT

Coordinateur : CIC energiGUNE

 

Partenaires :

BATTERYCARE (ES)

BEYONDER (NO)

EURIDA RM (AT)

CICENERGIGUNE (ES)

IRT JULES VERNE (FR)

E-LYTE INNOVATION (DE)

IPT (ES)

KIT (DE)

Patentes Talgo (ES)

UFS JENA (DE)

UNANTES (FR)

UPST III (FR)

UP CATALYST (EST)

RESUME

Le projet MUSIC vise à développer une nouvelle technologie de supercondensateurs sodium-ions atteignant une densité énergétique comparable à celle des batteries de puissance.

Ceux-ci se rechargeraient en quelques secondes, offrant ainsi une longue durée de vie et une perte d'efficacité minimale au fils du temps pour une application dans les énergies renouvelables comme les éoliennes, l’industrie et les transports. De cette façon, le projet MUSIC s’inscrit dans une politique forte de durabilité et de respect de l’environnement.

Avec le projet MUSIC, la technologie des Sodium-Ion Capacitors (SIC) se veut « éco-conçue » autrement dit développée de manière durable dès la conception, principalement en évitant l’utilisation de matériaux de fabrication dits « critiques » (critical raw materials) tel que le lithium.

 

IMPACTS TECHNIQUES ET ECONOMIQUES

La haute densité énergétique et de puissance des condensateurs sodium-ion durables de MUSIC avec leur longue cyclabilité, contribueront à transformer l'électromobilité des passagers (bus électriques, tramways), la mobilité hydrogène (véhicules lourds, trains, camions, aviation) et permettront de renforcer les énergies renouvelables (récolte, électronique de puissance).

 

LIENS

Site internet :          https://musicproject.eu/en

Linkedin : The MUSIC Project        https://www.linkedin.com/company/the-music-project-eu/

 

PEPR Batteries - SONIC (4)

Batterie organique anionique tout solide

01 Octobre 2023 - 30 Septembre 2028

Coordinateur du projet : Philippe POIZOT    (équipe ST2E)

Partenaires :

Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, UMR 7314 (LRCS)

Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (CEA Liten)

Laboratoire de Systèmes Moléculaires et nanoMatériaux pour l'Énergie et la Santé (SyMMES, UMR 5819 CEA-CNRS-UGA)

IFP Energies Nouvelles (IFPEN)

Personnels IMN impliqués :

P. Poizot, S. Renault, B. Lestriez, P. Moreau, J. Gaubicher, P. Soudan, E. Gautron

 

Le projet a pour objectif de développer des batteries moléculaires tout solide de type anion-ion dépourvues de métaux et compatibles avec des électrolytes polymères à conduction anionique.

 

 

 

Les batteries vertes du futur : l’IMN aux manettes du projet SONIC !

Le projet SONIC (Solid-state Organic anioNIC battery), porté par l’IMN, est l’un des 7 projets lauréats de l’appel à projet du PEPR (Programme et Equipements Prioritaires de Recherche) « Batteries », un PEPR copiloté par le CEA et le CNRS ayant pour objectif de soutenir l’offre et la demande des batteries afin notamment d’accélérer la transition énergétique dans le domaine des transports. Doté de 1,5 M€ dont 512 k€ pour l’IMN, SONIC rassemble 4 laboratoires ou Centres de Recherche de renommée internationale (IMN, LRCS, CEA, IFPEN) travaillant sur la construction d’une solution pour réduire l’empreinte environnementale globale des batteries. SONIC ambitionne en 5 ans de fournir des matériaux d’électrodes organiques de « type p » innovants, durables et compatibles avec des électrolytes polymères à conduction anionique.SONIC

Concrètement, les batteries organiques sont dépourvues de métaux ou de matières premières critiques (ex : cobalt) et, composées uniquement d’éléments chimiques naturellement abondants sur la planète (ex : carbone, oxygène, azote), elles sont idéalement recyclables.

Dans un contexte d’épuisement des ressources minérales combiné à des exigences techniques et économiques toujours croissantes, elles offrent ainsi une alternative prometteuse aux batteries conventionnelles pour répondre, en tant qu’alternative chimique durable, au déploiement massif du stockage électrochimique de l’énergie. De plus, la grande diversité des composés organiques, combinée à la versatilité des techniques de synthèse, permet d’envisager un nombre quasi infini de structures dont les propriétés physicochimiques et électrochimiques peuvent être adaptées aux cahiers des charges des applications visées…
 
SONIC qui est coordonné par le Professeur Philippe POIZOT, membre de l’équipe ST2E (Stockage et Transformation Electrochimiques de l’Energie) et enseignant à Nantes Université, va conduire au recrutement de cinq doctorants dont deux seront affectés à l’IMN et d’un post-doctorant, également affecté à l’IMN. Il permettra aussi à l’IMN d’acquérir, pour un montant de 100 k€, un porte échantillon unique en France et spécifique pour le microscope électronique Nant'Themis : étanche à l’air, double tilt et capable de fonctionner en mode cryogénique.

La réunion officielle de lancement a eu lieu le Mardi 30 janvier à l’IMN en présence des représentants de l’ANR et de la direction du PEPR.

ANR ZORG

Compréhension unifiée de la (électro)chimie aqueuse du zinc par Charactérisations Operando Multi-échelles
(Projet-ANR-21-CE50-0005)Zorg

Octobre 2022 - Septembre 2026

Coordinateur du projet : Joël GAUBICHER    (équipe ST2E)

Partenaires :
Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA-LITEN Grenoble)
CIC Energigune Álava, Espagne
Chimie Et Interdisciplinarité, Synthèse, Analyse, Modélisation » (CEISAM Nantes)

Personnels IMN impliqués :
Stéphane CUENOT (MC UNIV), Bernard HUMBERT (PR UNIV), Ivan LUCAS (MC UNIV),
Philippe POIZOT (PR UNIV), Patrick SOUDAN (IE CNRS)

Les progrès récents dans le domaine de l’électrodéposition du zinc dans les électrolytes aqueux ont permis d’atténuer de manière significative ses deux principaux problèmes que sont, la croissance dendritique du zinc et la formation d’hydrogène, ce qui a fortement stimulé le développement des batteries aqueuses au zinc (ZnB). Toutefois, d’un point de vue fondamental, la compréhension des mécanismes sous-jacents à ces problèmes n’a pas seulement été récemment complètement remise en cause mais est également probablement incomplète principalement parce que la chimie interfaciale mise en jeu à la surface du zinc lors des électrodépositions répétées n’est pas comprise. Par conséquent, sur la base de collaborations synergiques, le principal objectif du consortium ZORG consiste à parvenir à une compréhension unifiée de la chimie dynamique du zinc et de son évolution morphologique à différentes échelles lors d’électrodépositions répétées en utilisant un ensemble innovant de techniques operandi mutli-échelles. ZORG a également comme objectifs de valider et d’élargir les connaissances attendues en évaluant l’impact du matériau électroactif de l’autre électrode faisant face à celle du zinc, ainsi que de concevoir de nouveaux sels électrolytiques et de nouveaux additifs.

ANR HOMERE

Engineering Multifunctional Hybrid Organic Materials for Electrochemical Energy Storage
(Projet-ANR-22-CE05-0011)Homere

English version

Octobre 2022 - Septembre 2026

Partenaire IMN du projet : Olivier CROSNIER  (équipe ST2E)

Coordinateur :
MOLTECH-Anjou Angers
Partenaires :
Institut des Sciences Chimiques (ISCR Rennes)
Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux (CIRIMAT)

Personnels IMN impliqués :
Thierry BROUSSE (PR UNIV), Camille DOUARD (IE CNRS)

Le projet HOMERE vise à développer de nouveaux matériaux électroactifs de type polymères/carbones pour améliorer les performances des supercondensateurs hybrides en associant l’énergie des molécules et la puissance du carbone. Le projet cible la préparation de matériaux innovants pour des dispositifs de stockages propres, sûrs et compétitifs, à la frontière des condensateurs et des batteries, avec une stabilité et une vitesse de cyclage améliorées. Les verrous scientifiques et techniques du projet sont l’obstruction d’une fraction importante de la microporosité du carbone par les molécules et la stabilité médiocre de ces matériaux composites. A cette fin, le projet HOMERE combinera deux stratégies complémentaires visant à améliorer l’intégration des molécules dans ces dispositifs par le greffage covalent d’une monocouche à la surface du carbone et l’utilisation de liants copolymères multifonctionnels bio-inspirés à architecture contrôlée.

 

ANR RROC

Robust Monolithic Reversible Solid Oxide Cell
(Projet-ANR-22-CE05-0030)Rroc

English version

Octobre 2022 - Septembre 2026

Partenaire IMN du projet : Clément NICOLLET  (équipe ST2E)

Coordinateur :
SRT Microcéramique Vendôme
Partenaires :
Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé (Lamé Orléans)
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER Limoges)
ENGIE

Personnels IMN impliqués :
Annie LE GAL LA SALLE (CR CNRS)

L’électrolyse haute température (SOEC) se présente comme une technologie à fort potentiel pouvant se positionner comme une solution pertinente pour plusieurs marchés à moyen/long terme (2025 – 2030), principalement : (i) la production d'H2 à grande échelle grâce à son rendement énergétique élevé lorsque la chaleur externe est disponible, (ii) le « Power-to-X » en couplant la SOEC avec des réacteurs chimiques pour produire plusieurs combustibles/liquides tels que l'ammoniac, le méthanol et l'acide formique, (iii) le « Power-to-Power » grâce à sa capacité à opérer de manière réversible entre les modes SOEC (électrolyse) et SOFC (pile à combustible).

D'un point de vue industriel, les principaux aspects à prendre en compte sont les performances, la durabilité, la capacité de mise à l'échelle/de fabrication et la flexibilité opérationnelle (température, composition du gaz d'alimentation, gaz produit, etc.). En particulier, la durabilité est un aspect critique pour la plupart des applications SOEC qui doit être considéré avec une grande attention car il a un impact direct sur la viabilité économique d’une majeure partie des solutions commerciales émergeantes incorporant la technologie SOEC. Pour répondre à ces aspects, ce projet nommé RROC vise à développer et à optimiser une technologie SOEC de rupture basée sur une cellule à échelle industrielle qui intégrera des architectures innovantes ainsi que des matériaux SOEC alternatifs via des processus évolutifs et compétitifs. Ces architectures innovantes visent également une production industrielle standardisée basée sur l'expertise des partenaires du projet RROC, tout en atteignant des niveaux de performance et de durabilité proches de l'état de l'art actuel et compatibles avec une commercialisation pour les trois principaux marchés d’intérêt cités auparavant.

Cette architecture innovante de SOFC/SOEC repose ici sur trois grandes approches originales :

- Optimisation de la conception des cellules et sélection des matériaux à partir de la modélisation thermomécanique des systèmes dans les conditions opératoires,
permettant une amélioration de la durabilité
- Conception monolithique correspondant à des propriétés thermochimiques plus élevées, obtenue par le processus de co-coulage de bandes,
permettant une amélioration de la durabilité et une réduction des coûts
- Procédé de mise en forme simple (co-coulage ou sur-coulage de bandes) des cellules afin de limiter le nombre d'étape de production et le coût de production,
permettant une production à faible coût

ANR SIMPA

English Version

Catalytic Sorbent bed for IMproved Production of methAnol
(Projet-ANR-22-CE50-0019)Simpa

Octobre 2022 - Avril 2026

Partenaire IMN du projet : Thomas DEVIC  (équipe ST2E)

Coordinateur :
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Schiltigheim)
Partenaires :
Catalyse, Polymérisation, Procédés et Matériaux (CP2M Lyon)
Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM Montpellier)

Personnels IMN impliqués :
Stéphane GROLLEAU (AI UNIV), Michaël PARIS (IR CNRS), Dorian REY (CDD)

Le projet SIMPA s'inscrit dans la thématique des procédés Power-To-Fuels. Il vise à déplacer la limitation thermodynamique de la production de méthanol à partir de CO2 et d'H2 renouvelable en combinant au sein d'un même lit une fonction de sorption d'eau et une fonction catalytique. Il s'attachera à développer des lits de sorbants catalytiques de technicité croissante. Des sorbants/catalyseurs conventionnels seront étudiés dans un premier temps afin de mettre en œuvre les différentes techniques visant à caractériser l'adsorption d'eau (capacité de sorption, sélectivité par rapport au méthanol et à CO2, désorption) dans les conditions visées (typiquement 20 bar, 230 °C) et à évaluer les performances catalytiques en présence de sorbant. Des matériaux de sorption de type MOF seront ensuite étudiés et caractérisés dans des conditions hydrothermales. Des catalyseurs de synthèse de méthanol à partir de CO2 seront développés, pour être actifs à basse température et plus sélectifs en méthanol. Les géométries de lits sorbant/catalyseurs seront étudiées pour optimiser le rendement en méthanol. La réaction sera mise en œuvre en mode séquencé sortion-réaction/désorption dans deux réacteurs parallèles. Enfin, des sorbants catalytiques tout-en-un seront développés. Enfin, au-delà de la preuve expérimentale en mode séquentiel, une modélisation multi-échelle (sorption, diffusion, cinétique chimique, réacteur, procédé en mode séquentiel) permettra en fin de projet de proposer des conditions opératoires et une stratégie de cyclage optimales pour la réaction de synthèse de méthanol assistée par la sorption d'eau.

PEPR HYDROGENE - PROTEC

PEPR Hydrogène décarboné PROTEC : Développement de cellules d'électrolyse à base de céramiques à conduction protonique
(Projet PEPR PROTEC)PROTEC2

Avril 2022 - Mars 2027

Partenaire IMN du projet : Eric QUAREZ   (équipe ST2E)

Coordinateur :
Institut de chimie moléculaire et des matériaux (ICGM Montpellier)
Partenaires :
FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS Gif-sur-Yvette)

Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
MINES ParisTech / Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris / Paris Sciences et Lettres
Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB Dijon)

Dans un futur proche, la production d’hydrogène vert par électrolyse jouera un rôle majeur dans la décarbonations des procédés industriels, la stabilité des réseaux électriques et le développement de la mobilité hydrogène, sous réserve que cette technologie soit compétitive (faibles coûts) et efficace. En effet, dans la mesure où l’hydrogène est produit avec des rendements élevés, des coûts d’investissement et d’opération réduits et une empreinte carbone maîtrisée, il jouera un rôle majeur dans le cadre de la transition écologique. 

Opérant dans la gamme de température 400-600°C, les dispositifs intégrant des céramiques à conduction protonique (PCEC : Proton Ceramic Electrolysis Cells) sont particulièrement prometteurs pour plusieurs raisons : ils produisent un hydrogène sec, sont supposés être plus durables que leurs analogues opérant à hautes températures et présentent une réversibilité et une flexibilité facilitées par leur principe de fonctionnement. Malgré ce fort potentiel, le développement des PCEC demeure limité comparé à celui des dispositifs haute température basés sur la conduction anionique.  Le projet PROTEC a pour objectif de développer des cellules PCEC performantes (0,8 A/cm2 à 1,3 V à 600°C, durables (taux de dégradation < 2% / 1000h), et de taille significative (F = 25 mm puis 50 mm). Pour atteindre cet objectif, une séquence de procédés sera mise au point pour la fabrication de cellules de génération 1, constituées des matériaux de référence (Ni-BCZY, BCZY, BSCF) ; une mise à l’échelle progressive, intégrant des composants et interfaces plus fonctionnels, sera ensuite effectuée. Ainsi, l’optimisation des matériaux et des assemblages conduira aux cellules de génération 2, à performances et durabilité accrues. Une attention particulière sera portée au développement expérimental, à la normalisation des protocoles de fabrication et de test, au développement d’outils et de méthodologies de recherche dédiés et partagés. Les livrables finaux du projet PROTEC seront une séquence de procédés de fabrication qualifiée et des cellules de taille semi industrielle performantes et durables. La réalisation d’un short stack (3 cellules), de tests de réversibilité et de longues durées, sera programmée sur les cellules de génération 2. Ce projet a pour ambition de conforter la position de 8 laboratoires associés au CNRS, reconnus internationalement pour leur expertise dans le domaine des céramiques à conduction protonique, et de contribuer à l’émergence d’une filière hydrogène française.

PEPR Hydrogène - FLEXISOC

PEPR FLEXISOC

PEPR Hydrogène décarboné FLEXISOC : FLEXIbilité des cellules SOC vis-à-vis du combustibleFLEXISOC
(Projet PEPR PROTEC)

Juin 2022 - Mai 2027

Coordinateur du projet : Annie LE GAL LA SALLE   (équipe ST2E)

Partenaires :
FEMTO-ST Institut Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
Institut de Chimie de la Matière Condensée (ICMCB Bordeaux)
Institut de chimie et procédés pour l’énergie, l’environnement et la santé (ICPEES Schiltigheim)
Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER Limoges)
Institut de Recherche de Chimie (IRCP Paris)
Institut des Sciences Chimiques (ISCR Rennes)
Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (LAPLACE Toulouse)
Laboratoire Georges Friedel (LGF Saint-Étienne)
Unite de Catalyse et Chimie du Solide (UCCS Lille)
Structures, Propriétés et Modélisation des Solides (SPMS Gif-sur-Yvette)


Personnels IMN impliqués :
Olivier JOUBERT (PR UNIV), Clément NICOLLET (CR CNRS), Eric QUAREZ (CR CNRS)

Actuellement, la conversion de l’hydrogène en électricité dans des systèmes piles à combustible à membrane polymère se positionne à un haut niveau de maturité technologique, mais nécessite de l’hydrogène de très haute pureté. Les piles à combustible haute température à membrane céramique (SOC : Solid Oxide Cell) à conduction anionique ou protonique, bien que moins matures, permettent l’utilisation de combustibles variés, et peuvent fonctionner en mode réversible alternant les fonctions d’électrolyseur et de générateur. L’objectif du projet est donc de mettre au point une cellule complète à la fois robuste et flexible vis-à-vis du combustible, et fonctionnant à relativement basse température (600°C). Ce projet s’articule autour de plusieurs axes, à savoir l’identification de nouveaux matériaux capables d’activer les réactions de reformage interne tout en présentant une bonne tolérance aux poisons de catalyseur généralement rencontrés dans ces systèmes (CO, suies, H2S), l’architecturation des électrodes pour mettre en œuvre les matériaux sélectionnés, la mise en forme des matériaux d’électrolyte et l’assemblage des cellules avec la mise en œuvre d’interfaces, ainsi qu’une approche par modélisation afin d’optimiser les conditions de fonctionnement des dispositifs et limiter ainsi l’encrassement.

En pratique, la mise au point de catalyseurs actifs et stables à plus basse températures que ceux existant actuellement, avec une cible de vitesse de formation de carbone autour de 0,5 mgcarbon gcat-1 h-1 à 600°C, constituera la première brique du projet. Simultanément, les matériaux d’électrodes à combustible seront adaptés afin de les rendre tolérants à plusieurs polluants, et notamment le sulfure d’hydrogène, en visant des valeurs tolérables minimum en fin de projet de 3 à 5 ppm. De même, la partie électrolyte sera optimisée, notamment en termes de composition et d’épaisseur, avec comme objectif une épaisseur maximale de 10-20 microns.  L’accroissement de la durée de vie des systèmes grâce au contrôle complet du système sous atmosphères diverses et de façon automatisée, ainsi que la mise au point de stratégies efficaces de nettoyage compléteront le projet. Pour la co-génération et mobilité lourde, avec reformage et désulfuration, la durée de vie visée en 2024 est de 60 000h, avec des rendements de Rdtel > 45% PCI et Rdtth > 25% PCI. Dans le cas du projet FLEXISOC, avec une cellule permettant de s’affranchir de ces étapes amont, une durée de vie de 30 000 h est visée. Finalement, l’objectif de densité de puissance de la cellule complète, qui permettrait à la fois de faire du reformage interne, de résister à une teneur de 5 ppm de H2S, et de présenter une durée de vie satisfaisante pourrait être de 1 W cm-2 en 2027.

 

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Site Campus Sciences

FacadeIMN2Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel,
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Site Polytech Chantrerie

polytechPolytech Nantes,
La Chantrerie, rue Christian Pauc,
BP50609, 44306 Nantes cedex 3
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