Des neutrons pour un voyage fantastique au coeur des piles

Publié par Redbran le 20/09/2021 à 13:00
Source: CEA IRIG

© Symmes
Face au changement climatique et à la pollution qui pèsent de plus en plus sur l'environnement, les chercheurs s'efforcent de développer des solutions énergétiques durables qui réduiront notre dépendance aux combustibles fossiles. Parmi les technologies pour stocker et libérer une énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il...) plus propre, se distinguent les études sur les batteries, les piles à combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se...) et les électrolyseurs. Voici comment la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) des neutrons se développe pour devenir un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) puissant dans la mise au point (Graphie) de ces dispositifs.

Les piles à combustible et les électrolyseurs ont plusieurs composants en commun, notamment une membrane polymère (Un polymère (étymologie : du grec pollus, plusieurs, et meros, partie) est un...) semi-perméable qui agit comme une paroi séparatrice empêchant les réactions chimiques secondaires indésirables et les courts-circuits. Cette membrane polymère, qui remplit aussi le rôle d'électrolyte conduisant sélectivement les ions, constitue un élément clé pour une nouvelle génération de batterie dit de type "tout-solide". Elle fait donc l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de recherches visant à résoudre les problèmes critiques qui lui sont inhérents tels que sa durabilité, sa performance et son coût de production.

Dans ce but, les chercheurs de l'Irig [collaboration] exploitent les techniques neutroniques, telles que la réflectivité neutronique, la diffusion inélastique et quasiélastique, la diffusion aux petits et grands angles, pour mieux comprendre les structures complexes et les mécanismes de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) des ions dans la membrane. L'amélioration des connaissances qui découlent de ces études a pour but de concevoir des formulations nouvelles aux propriétés améliorées.


Illustration du flux de neutrons traversant une pile à combustible (Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait...) pour obtenir une image de diffusion par détection SANS, instrument D22 à l'ILL. Illustration extraite de la vidéo (La vidéo regroupe l'ensemble des techniques, technologie, permettant l'enregistrement ainsi que la...) "Neutrons an inevitable tool for your research on fuel cell".
© ILL.

Le flux de neutrons est une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) efficace pour caractériser la structure et la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de la membrane polymère sur une gamme très étendue d'échelles de longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) et de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). Les neutrons étant particulièrement adaptés pour traverser les parois des conteneurs métalliques et céramiques sans les détériorer, ils permettent d'étudier les membranes dans les conditions réelles de fonctionnement des cellules électrochimiques. Dans les piles à combustible, grâce à la sensibilité des neutrons, il est possible de repérer les déplacements des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) au sein de la membrane. Les expériences de contraste isotopique permettent aussi de séparer et d'identifier les processus complexes qui se produisent au coeur de la membrane.

Bien que la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) intrinsèque des membranes représente un défi pour la prédiction et l'optimisation de leurs fonctions, les techniques de diffusion des neutrons permettent d'étudier la structure et la dynamique de la membrane en fonction de l'hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.), et notamment de contrôler tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) changement dans les conditions opérationnelles réelles qui influencent directement les performances. Par exemple pour les piles à combustible, si la teneur en eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) dans la membrane est trop faible, le transport des ions est freiné. À l'opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...), un excès d'eau fait gonfler la membrane, ce qui dégrade sa stabilité et ses performances.

Grâce à de nouveaux instruments comme les sources de neutrons plus brillantes et des expériences innovantes en mode operando c'est-à-dire pendant le fonctionnement réel du système électrochimique, la diffusion des neutrons est en voie de devenir un outil de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) majeur pour le développement de dispositifs de production et de stockage d'énergie propre (Une énergie propre ou énergie verte est une source d'énergie dont l'exploitation ne produit que...).

Collaboration:
Département de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...), University College London, Royaume-Uni ; ISIS Neutron (Le neutron est une particule subatomique de charge électrique totale nulle.) and Muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à...) Source, Royaume-Uni ; Laboratoire Léon Brillouin (Léon Brillouin (né le 7 août 1889 à Sèvres - mort en 1969 à New York) était un physicien...) (CEA-CNRS), Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Paris-Saclay, France ; CEA-Liten (CEA-UGA), France.

Références:
Foglia F, Lyonnard S, Sakai VG, Berrod Q, Zanotti JM, Gebel G, Clancy AJ and McMillan PF
Progress in neutron techniques: Towards improved polymer electrolyte membranes for energy devices.
Journal of Physics: Condensed Matter, 2021.
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