N° 271 I MARS -AVRIL 2013 L’enquête | 23 w le « stockage de masse », celui destiné à alimenter le réseau électrique, il existe à l’heure actuelle d’énormes batteries au sodiumsoufre. Mais elles fonctionnent à 300 °C, ce qui pose des problèmes de sécurité. C’est pourquoi le RS2E explore activement la piste de batteries au sodium-ion, qui fonctionnent à température ambiante, et surtout la technologie dite de redox flow (voir schéma). Dans celle-ci, les électrodes sont formées par deux liquides en mouvement, séparés par une membrane à travers laquelle se produit le transport d’ions. Cette méthode est peu coûteuse, mais elle ne délivre pas une énergie suffisante. Les chercheurs du RS2E planchent sur la formulation et les propriétés certains cas ces couches sont bénéfiques, dans d’autres elles dégradent les performances. En utilisant des méthodes de pointe comme la spectroscopie photoélectronique à rayonnement X (XPS), le laboratoire palois accède à une connaissance fine des espèces chimiques impliquées dans le phénomène, essentielle pour mieux comprendre les mécanismes de vieillissement afin de les retarder. Autre problème posé aux développeurs : les utilisateurs finaux peuvent avoir besoin de systèmes capables de délivrer une puissance importante pendant quelques secondes seulement. Par exemple : pour l’ouverture d’urgence des portes de l’Airbus A380, pour redémarrer les véhicules dotés d’un système « stop and start » qui coupe le moteur au feu rouge, ou pour actionner une visseusedévisseuse sans fil. Or, les batteries détestent être sollicitées de manière intermittente ou intense. La solution ? Les supercondensateurs. Ces dispositifs (qui pèsent de quelques grammes à plusieurs centaines de kilos) consistent en deux électrodes de carbone poreux, séparées par une membrane et baignant dans un liquide (l’électrolyte) contenant des ions positifs et négatifs. Ces ions s’accumulent de part et d’autre dans les pores du carbone, ce qui crée une différence de potentiel donc un courant électrique. « Comme pour les batteries, l’enjeu est d’augmenter la densité d’énergie des supercondensateurs. Si on y parvient, ils pourraient par exemple, dans les véhicules hybrides et électriques, prendre le relais de la batterie pour récupérer l’énergie issue du freinage ou fournir l’énergie nécessaire Fournir une puissance de 100 mégawatts par kilo, soit l’équivalent de dix TGV lancés à pleine vitesse... mais pendant quelques millisecondes seulement : telle est la mission dévolue aux systèmes de stockage appelés SMES (superconducting magnetic energy storage). Leur principe est simple : l’énergie est stockée sous forme d’un champ magnétique généré par la circulation d’un courant électrique dans une bobine court-circuitée. Afin que cette énergie ne se dissipe pas, la bobine est réalisée en matériau supraconducteur. On décharge la bobine quand on le souhaite en la connectant au réseau. Cependant, pour être opérationnel, le SMES doit être refroidi à environ 4 kelvins (– 269 °C) avec les supraconducteurs conventionnels. Cette technologie met donc en jeu des dispositifs volumineux et coûteux, ce qui limite sa diffusion. À Grenoble, l’Institut Néel et le G2Elab conçoivent des SMES fonctionnant à des températures plus élevées (20 kelvins), ce qui allège beaucoup le dispositif de refroidissement et améliore nettement les performances. À la clé, des applications qui intéressent les domaines civil et militaire. Ainsi, un lanceur électromagnétique serait capable de propulser des charges à une vitesse bien supérieure à celle qu'autorise la propulsion chimique classique. Cela pourrait être utile pour placer un microsatellite sur orbite basse, aussi bien que pour lancer un obus. Enfin, cette recherche vise, plus généralement, à concevoir des aimants supraconducteurs beaucoup plus performants et durables. Co ntact : Pascal Tixador > pascal.tixador@g2Elab.grenoble-inp.fr Le stockage magné tique 05 Bobine supraconductrice qui permet de stocker l’énergie sous forme d’un champ magnétique. d’« encres » (des liquides contenant non plus des ions libres mais des particules en suspension), qui permettraient une plus grande concentration en ions, donc une plus grande densité d’énergie. conser ver la puisan ce Un autre problème posé par les batteries, notamment lithium-ion, est leur vieillissement, qui se traduit par des pertes de capacité et de puissance. « C’est le résultat de réactions chimiques aux interfaces entre les électrodes et l’électrolyte », explique Danielle Gonbeau, de l’Institut des sciences analytiques et de physicochimie pour l’environnement et les matériaux (Iprem)2, à Pau. Des couches de quelques nanomètres, composées de molécules issues de la dégradation des solvants et des sels contenus dans l’électrolyte de la batterie, se forment aux interfaces. Si dans 06 Banc de test des matériaux de stockage électrochimique au Laboratoire de réactivité et chimie des solides (LRCS ), à Amiens. 07 Principe de fonctionnement d’une batterie à redox flow. Les électrodes sont formées de liquides en mouvement, les électrolytes, séparés par une membrane perméable aux ions. © CEA/C. Beur tey 05 06 © D. Morel © C. FRESILLON/CNRS Photothèque 07
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