Électrolytes superconcentrés pour l'avancement du stockage d'énergie électrochimique

 

Dominic Rochefort

Université de Montréal

 

Domaine : énergie

Programme projet de recherche en équipe

Concours 2018-2019

Les besoins de notre société en stockage d'énergie électrochimique, tant pour des applications portatives, de transport ou stationnaires ont évolués à un rythme bien plus élevé que celui du développement des solutions. Les batteries et supercapacités électrochimiques actuelles sont très performantes mais freinent néanmoins l'application… À l'intérieur même du domaine du stockage d'énergie électrochimique on assiste à une différence marquée dans le rythme de développement des constituants. Les matériaux actifs d'électrode évoluent bien plus rapidement que les électrolytes dont la composition est demeurée pratiquement inchangée depuis plus de 20 ans. Ceci s'explique notamment par la très faible quantité de solvants (comme les carbonates linéaire) qui peuvent demeurer inertes en présence de matériaux très réductifs comme le lithium métallique. Cette observation est cependant valable pour des électrolytes traditionnels où le sel est présent à une concentration modérée et où la quantité de molécules de solvant est prépondérante.

Au cours des dernières années, les chercheurs se sont intéressés à une classe d'électrolytes où la quantité d'ions devient égale ou supérieure à celle des molécules de solvant. Une sélection appropriée de sel et de solvant permettent d'avoir des phases liquides contenant 20 moles de sel par kg de solvant, voir même plus. Ces électrolytes, dits superconcentrés, ont un comportement électrochimique radicalement différent des solutions traditionnelles. Il a été démontré qu'en régime superconcentré, les molécules de solvant sont entièrement liées aux cations en formant des complexes de coordination. L'absence de molécules de solvant libres prévient leur réaction aux électrodes à des potentiels fortement réducteur ou fortement oxydant. Ce phénomène ouvre ainsi la voie à l'utilisation de solvants alternatifs aux carbonates, tels que l'acétonitrile ou même l'eau qui possède une plage de stabilité électrochimique très restreinte. Ce domaine de recherche est extrêmement actif présentement et l'application des électrolytes superconcentrés pourrait avoir un effet révolutionnaire sur le stockage d'énergie.

Le projet de recherche proposé permettra d'améliorer les connaissances fondamentales sur les mécanismes de transport ionique et les réactions aux interfaces des électrodes. Ces phénomènes sont encore peu étudiés pour les électrolytes superconcentrés. La littérature rapporte des études presqu'entièrement sur des systèmes à base de cations lithium, que nous complèterons notamment avec des systèmes sodium en solvant organique et aqueux. L'approche préconisée reposera sur l'utilisation de techniques in-situ pour permettre d'étudier la réactivité de ces nouveaux électrolytes avec des matériaux d'électrode pour le stockage en batteries et supercapacités électrochimiques. Le projet aura des retombées importantes pour le Québec en développant une expertise unique sur ces systèmes et en contribuant au domaine du stockage d'énergie électrochimique qui est d'une importance majeurs pour le développement durable de notre société moderne.