Supercondensateurs: comment se diffusent les ions ?
Publié par Redbran le 25/11/2015 à 12:00
Source et illustration: CNRS
Expliquer le mécanisme microscopique de diffusion des ions dans les électrodes de supercondensateurs, c'est la prouesse que viennent d'accomplir des chercheurs du laboratoire Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (CNRS / UPMC) et du Centre inter-universitaire de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) et d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (CNRS / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) Paul Sabatier) (*). Ces travaux sont parus dans le Journal of the American Chemical Society.

La diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de...) des ions dans les électrodes poreuses des supercondensateurs est caractérisée par une succession d'évènements à l'échelle microscopique. Ainsi, pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'un pore à un autre, un ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν...) va se désolvater/resolvater (perdre/gagner des interactions avec les molécules du solvant), s'adsorber/se désorber sur les parois (attachement/détachement via des interactions faibles à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) des électrodes), et ce à plusieurs reprises. La seule technique permettant de sonder cette dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) était, jusqu'à présent, la spectroscopie d'impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:), qui ne donnait accès qu'à la résistivité du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) dans les pores, une information très partielle...

Expérimentalement, il est en effet très difficile de mesurer la diffusion des ions dans un milieu poreux. Le cas des supercondensateurs ajoute une complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par exemple par Anthony Wilden ou Edgar Morin), en physique, en biologie (par exemple par...) supplémentaire puisqu'il s'agit d'un système dynamique, à étudier "in situ", c'est-à-dire avec un potentiel électrique (Le potentiel électrique est l'une des grandeurs définissant l'état électrique d'un point de l'espace. Son unité est le volt.) appliqué. L'approche par la simulation prend donc ici tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) son sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du ralentissement du...). Les chercheurs ont ainsi pu réaliser des simulations sur des systèmes réels, comparables aux résultats des expériences !

Un nouveau code de calcul a été mis au point (Graphie) pour réaliser des simulations à potentiel électrique constant au sein des électrodes. En optimisant le parallélisme, il permet de réaliser les calculs sur des milliers de processeurs de supercalculateurs tels qu'OCCIGEN, un des plus gros calculateurs européens localisé à Montpellier.

Les résultats obtenus par les chercheurs sont sans ambiguïté: les simulations montrent que les différents évènements (désolvatation, adsorption (L'adsorption, à ne pas confondre avec l'absorption, est un phénomène de surface par lequel des molécules de gaz ou de liquides se fixent sur les surfaces solides des adsorbants selon divers processus plus ou moins intenses. Ce...) sur les parois, diffusion d'un pore à l'autre) se déroulent à des échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) très différentes, pouvant couvrir plusieurs ordres de grandeur. Ainsi, la désolvatation, qui a longtemps été vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) comme un événement énergétiquement coûteux a, en réalité, une cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) très rapide, et n'est donc pas un facteur limitant pour la diffusion des ions dans les pores. Des expériences d'électrochimie ont ensuite été réalisées pour vérifier l'accord entre expérience et simulation: cet accord est pratiquement quantitatif sur la capacité de stockage et la résistivité du liquide dans les pores, une première !

Pour aller plus loin, les scientifiques vont maintenant tenter d'étendre le couplage des simulations et de l'électrochimie à d'autres techniques spectroscopiques pouvant être mises en œuvre in situ comme par exemple la RMN.

Note:
(*) Laboratoires membres du Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.)

Pour plus d'information voir:
Clarisse Péan, Barbara Daffos, Benjamin Rotenberg, Pierre Levitz, Matthieu Haefele, Pierre-Louis Taberna, Patrice Simon & Mathieu Salanne
Confinement, desolvation, and electrosorption effects on the diffusion of ions in nanoporous carbon electrodes
Journal of the American Chemical Society 25 septembre 2015
DOI: 10.1021/jacs.5b07416
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