+ 2023 COLORR – Couplage entre l’ingénierie d’interfaces électrochimiques (via des liquides ioniques) et la synthèse de nouveaux catalyseurs à teneur réduite en métaux nobles pour l’amélioration de la réaction de réduction de l’oxygène

description de la recherche

Parmi les nombreuses technologies de motorisations existantes pour répondre aux exigences de mobilité durable, les piles à combustible basses températures (PEMFC, AEMFC) sont des convertisseurs électrochimiques particulièrement adaptées au besoin de clients qui recherchent une grande autonomie, une charge rapide et des émissions réduites de gaz à effet de serre. Idéalement utilisées dans des applications de transport lourd (camions, trains), l’adoption de cette technologie à grande échelle est entravée par son coût, ses faibles rendements et sa durabilité encore éloignée des 20 000 heures requis. Ces obstacles majeurs sont fortement reliés à la réaction de réduction de l’oxygène à la cathode (ORR) qui a une cinétique lente et donc nécessite une masse de catalyseur à base de métaux nobles plus importante qu’à l’anode. La faible solubilité de O₂, l’hydrophobicité de cathode pour évacuer l’eau produite et la dissolution du catalyseur sont à l’origine de la durée de vie réduite de ces piles.
Pour pallier ces inconvénients, le projet COLORR propose une rupture technologique en jouant sur l’ingénierie de l’interface catalyseur-électrolyte selon deux axes : optimisation des propriétés électrochimiques de l’électrolyte et design innovant de la cathode. Le CP2M développera des électrolytes à base de Liquides Ioniques (LI) sur la base de spécifications en solubilité accrue en O₂, en hydrophobie importante pour évacuer l’eau produite tout en étant source de protons. L’IEM développera des catalyseurs bimétalliques (PdM, M = Fe, Mn, Ni) en teneur réduite en métaux nobles associés à une optimisation de l’état de surface (nano-structuration). L’objectif concernera in fine l’assemblage d’un système LI-PdM pour l’élaboration de cathodes performantes pour l’ORR et leur intégration au sein d’une monocellule. Les résultats obtenus permettront des avancées technologiques compatibles avec d’autres systèmes prometteurs que sont les batteries métal-air.






intérêt sociétal, environnemental

Les résultats obtenus sur la conception de matériaux efficaces et stables pour des cathodes en milieu basique seraient également particulièrement importants pour le développement et l'application pratique des batteries rechargeables métal-air. Elles font l’objet d’une grande attention et d’un développement rapide dans le domaine du stockage électrochimique de l’énergie en raison de leur faible coût, de l’abondance des matériaux, de leur capacité spécifique théorique élevée et de leur forte densité énergétique, qui contribuent à en faire l’une des alternatives les plus prometteuses aux batteries lithium-ion. Malgré leurs nombreux avantages, les batteries métal-air sont également confrontées aux mêmes défis que sont la faible réversibilité de la charge et de la décharge à la cathode et la faible activité catalytique pour la réaction de réduction de l’oxygène.