Résumé :

Développer des systèmes de stockage d’énergie performants fait partie intégrante des recherches sur les énergies nouvelles. Parmi ces systèmes de stockage, les batteries et les supercondensateurs sont au premier plan. Au sein des supercondensateurs carbone-carbone, l’énergie est stockée à l’interface électrode-électrolyte par adsorption réversible des ions. L’augmentation de capacité observée récemment dans les carbones nanoporeux1 ouvre la voie vers de nouvelles optimisations des supercondensateurs.

Comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de cette super-capacité est une étape nécessaire à la rationalisation des phénomènes observés et à l’optimisation des matériaux d’électrode. La dynamique moléculaire, employée ici, est une méthode de choix pour étudier les mécanismes de stockage au sein de ces systèmes complexes. Nos simulations présentent certaines particularités comme l’utilisation d’un modèle gros grains pour décrire l’électrolyte et la représentation réaliste des électrodes grâce à l’inclusion de la conduction électronique et à l’emploi d’une structure désordonnée proche des structures expérimentales.

La détermination de la structure du liquide à l’interface électrode-électrolyte met en évidence l’influence du confinement et l’origine de l’augmentation de capacité2. Les simulations moléculaires permettent également d’étudier les phénomènes de désolvatation au sein de la structure poreuse du carbone et de corréler l’efficacité du stockage de charge avec le degré de confinement des ions3. La dynamique moléculaire fournit ainsi une interprétation microscopique aux observations macroscopiques réalisées sur les supercondensateurs.

Références :

1. J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. Simon, P.-L. Taberna, Science 2006, 313, 1760.
2. C. Merlet, B. Rotenberg, P. A. Madden, P.-L. Taberna, P. Simon, Y. Gogotsi, M. Salanne, Nature Materials 2012, 11, 306.
3. C. Merlet, C. Péan, B. Rotenberg, P. A. Madden, B. Daffos, P.-L. Taberna, P. Simon, M. Salanne, Nature Communications 2013, 4, 2701.

Développer des systèmes de stockage d’énergie performants fait partie intégrante des recherches sur les énergies nouvelles. Parmi ces systèmes de stockage, les batteries et les supercondensateurs sont au premier plan. Au sein des supercondensateurs carbone-carbone, l’énergie est stockée à l’interface électrode-électrolyte par adsorption réversible des ions. L’augmentation de capacité observée récemment dans les carbones nanoporeux1 ouvre la voie vers de nouvelles optimisations des supercondensateurs.

Comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de cette super-capacité est une étape nécessaire à la rationalisation des phénomènes observés et à l’optimisation des matériaux d’électrode. La dynamique moléculaire, employée ici, est une méthode de choix pour étudier les mécanismes de stockage au sein de ces systèmes complexes. Nos simulations présentent certaines particularités comme l’utilisation d’un modèle gros grains pour décrire l’électrolyte et la représentation réaliste des électrodes grâce à l’inclusion de la conduction électronique et à l’emploi d’une structure désordonnée proche des structures expérimentales.

La détermination de la structure du liquide à l’interface électrode-électrolyte met en évidence l’influence du confinement et l’origine de l’augmentation de capacité2. Les simulations moléculaires permettent également d’étudier les phénomènes de désolvatation au sein de la structure poreuse du carbone et de corréler l’efficacité du stockage de charge avec le degré de confinement des ions3. La dynamique moléculaire fournit ainsi une interprétation microscopique aux observations macroscopiques réalisées sur les supercondensateurs.

Références :

1. J. Chmiola, G. Yushin, Y. Gogotsi, C. Portet, P. Simon, P.-L. Taberna, Science 2006, 313, 1760.
2. C. Merlet, B. Rotenberg, P. A. Madden, P.-L. Taberna, P. Simon, Y. Gogotsi, M. Salanne, Nature Materials 2012, 11, 306.
3. C. Merlet, C. Péan, B. Rotenberg, P. A. Madden, B. Daffos, P.-L. Taberna, P. Simon, M. Salanne, Nature Communications 2013, 4, 2701.

Le chercheur a reçu ce prix pour ses travaux sur le développement de méthodes de simulations atomiques des sels fondus et des liquides ioniques pour les applications en électrochimie.

Mathieu Salanne a déjà été récompensé en 2013, avec ses collègues du PHENIX Benjamin Rotenberg et Céline Merlet, pour leurs travaux sur la modélisation du mécanisme de fonctionnement des supercondensateurs, par le prix La Recherche mention physique.

La Médaille de bronze récompense le premier travail d’un chercheur, qui fait de lui un spécialiste de talent dans son domaine. Cette récompense représente un encouragement du CNRS à poursuivre des recherches bien engagées et déjà fécondes.

Il est ainsi récompensé pour ses travaux sur la modélisation multi-échelle des systèmes chargés et ses applications à des systèmes d’intérêt industriel et environnemental dans le domaine de l’énergie, tels que les argiles pour leur rôle dans le stockage des déchets nucléaires en couche géologique profonde et le stockage géologique du CO2, ou les carbones nanoporeux pour leur utilisation comme supercondensateurs.

En 2013, il avait reçu le Prix Jeune Chercheur de la Division de Chimie Physique (commune à la SCF et la SFP) et le Grand Prix Michel Gouilloud – Schlumberger de l’Académie des sciences, ainsi que, avec Mathieu Salanne et Céline Merlet, le Prix La Recherche en Physique.

Ce prix est attribué tous les 3 dans par le CECAM (Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire) pour des contributions exceptionnelles à la simulation microscopique de la matière. C’est le plus prestigieux des prix Européens dans le domaine des simulations de la physique et la chimie de la matière condensée, de la physique statistique et de la chimie physique.

Jean-Pierre Hansen, professeur émérite au laboratoire PECSA, a été l’un des premiers à établir les simulations en tant qu’outil de validation de théories pour la compréhension des phénomènes complexes. Il a notamment utilisé les simulations pour sonder la cristallisation des liquides, ainsi que la structure et la dynamique des fluides chargés et des plasmas. Grâce aux simulations, il a pu valider des théories reposant sur les équations intégrales pour les fluides fortement couplés. Il a également fait des contributions importantes dans le domaine des colloïdes neutres et chargés.

Le prix lui sera remis lors de la conférence CCP2013 qui aura lieu à Moscou du 20 au 24 août prochain.

Voir l’annonce officielle sur le site du CECAM.

Le Prix La Recherche

Créé en 2004, le Prix La Recherche récompense des travaux de recherche pluridisciplinaire, fondamentale ou appliquée, effectués par des équipes francophones. Le prix est réparti en cinq mentions, selon les domaines d’applications : « Environnement », « Mobilité durable », « Santé humaine », « Sciences de la communication et technologies de l’information », et « Energie ». C’est dans cette dernière thématique, parrainée par Areva, que le laboratoire a été récompensé.

Le projet

Les travaux proposés portent sur la modélisation moléculaire pour l’industrie nucléaire du futur. Le groupe Liquides Ioniques a en effet une activité importante de modélisation à l’échelle microscopique, à la fois classique et quantique.

Pour les simulations moléculaires classiques, les interactions entre atomes sont modélisées par des « champs de force » validés dans un premier temps par comparaison avec les données expérimentales disponibles. Ils sont ensuite utilisés ensuite soit pour la compréhension des mécanismes physico-chimiques à l’échelle microscopique, ce qui permet d’aider à l’interprétation des expériences, soit pour la description de systèmes difficiles à étudier expérimentalement, par exemple lorqu’ils sont corrosifs ou toxiques.

Nous avons appliqué ces techniques à trois secteurs clés de l’industrie nucléaire :

• l’étude de mélanges 2HF-KF utilisés dans la préparation de difluor F2, nécessaire à la synthèse de l’hexafluorure d’uranium UF6, étape de l’enrichissement du combustible en 235U (seul isotope fissile de l’uranium naturel).
• l’étude de bains de fluorures alcalins à haute température (« sels fondus ») pour le retraitement innovant des déchets radioactifs par voie pyrochimique (axe 1 des lois de 1991 et 2006 sur les déchets nucléaires).
• l’étude du comportement de l’eau et des ions dans les argiles envisagées pour le stockage en couche géologique des déchets radioactifs à vie longue (axe 2 des lois de 1991 et 2006).

Les lauréats

De gauche à droite sur la photo : Mathieu Salanne, Natalie Malikova, Christian Simon, Jean-François Dufrêche, Benjamin Rotenberg, Pierre Turq et Virginie Marry, qui a porté le projet.