Sonder en direct les systèmes aqueux biphasiques pour des batteries à l’eau

En réponse au double défi environnemental et énergétique planétaire, le stockage électrochimique de l’énergie est une solution prometteuse, et la recherche est mobilisée pour améliorer à la fois la performance et la sécurité des batteries (on pense notamment à des batteries au lithium avec solvants organiques qui peuvent prendre feu). Dans ce contexte, le remplacement des solvants organiques – inflammables et toxiques – dans les batteries Li-ion par de l’eau a pendant longtemps été un Graal inatteignable butant sur la faible stabilité de l’eau à hauts voltages.

Dernièrement, une curiosité est apparue en observant des systèmes aqueux qui se séparent en deux phases, à la manière de l’huile et du vinaigre, selon leur compositions et concentrations en sels ! Ce nouveau type d’interface, entre deux liquides, en l’occurrence entre l’eau et elle-même, a intrigué les chercheurs. En effet, contrairement au transfert de charges entre des électrodes solides et un électrolyte liquide (à l’origine de la charge/décharge), qui est maintenant relativement bien compris et maîtrisé, la compréhension des interfaces liquides/liquides reste empirique.

C’est une équipe pluridisciplinaire qui s’y est penchée dernièrement, composée de chercheurs du Laboratoire de chimie du solide et de l’énergie du Collège de France (CSE), du Laboratoire Kastler Brossel (LKB), du Laboratoire Conditions extrêmes et matériaux haute température et irradiation (CEMTHI) à Orléans, et du MIT à Cambridge (États-Unis). Alexis Grimaud, qui a supervisé cette étude, nous explique que lorsque des sels de lithium d’hydrophilicités et de tailles différentes sont dissous dans l’eau, cela déclenche une séparation de phases au sein de l’eau, sans recours à une barrière physique ! On ne peut s’empêcher de penser à une application potentielle dans les batteries à flux redox (« redox flow »), qui utilisent des membranes coûteuses et s’usant avec le temps. L’enjeu est crucial, puisque ces batteries trouvent une application notable dans le stockage d’énergie à très grande échelle, par exemple pour stocker de l’énergie intermittente (éolienne, photovoltaïque…).

L’équipe a donc réalisé une série de mesures pour parvenir à imager et comprendre ce nouveau type d’interface. En particulier, Damien Dégoulange et Raj Pandya ont utilisé la technique d’imagerie Raman haute résolution (Figure a), une méthode non destructive qui exploite les propriétés de vibration des molécules pour en déduire la composition et la structure du milieu étudié. Ils ont ainsi démontré que, contrairement aux interfaces se formant entre l’eau et des solvants organiques, connues pour être constituées de monocouches moléculaires de quelques nanomètres d’épaisseur, l’interface entre deux électrolytes aqueux présente un continuum de composition et de « structures de solvatation » (Figures b, c) : l’eau s’organise autour des sels de différentes manières. Plus frappant, cette interface s’étend sur plusieurs microns d’épaisseur (Figure d) – ce qui est considérable par rapport aux quelques nanomètres –, et cette épaisseur varie en fonction de la concentration en sels. Cette différence influe sur les propriétés physico-chimiques de ces interfaces, ainsi que sur le mécanisme de transfert d’ions, à la base du fonctionnement de la batterie. Les chercheurs ont de premières pistes d’explications, mais tout reste à faire pour apprivoiser ce phénomène nouveau, qui ouvre des portes vers des applications prometteuses dans le stockage de l’énergie, mais aussi dans des domaines d’avenir comme l’extraction industrielle de biomolécules ou le recyclage des métaux.

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