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111 | 2012
Annuaire du Collège de France 2010-2011
Résumé des cours et travaux 111e année
III. Chaires annuelles

Développement durable : environnement, énergie et société

Jean-Marie Tarascon
p. 769-792

Plan

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Notes de la rédaction

Cours et séminaires sont disponibles en vidéo sur le site Internet du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/site/jean-marie-tarascon/course-2010-2011.htm et http://www.college-de-france.fr/site/jean-marie-tarascon/seminar-2010-2011.htm, ainsi que le colloque http://www.college-de-france.fr/site/jean-marie-tarascon/symposium-2010-2011.htm. La leçon inaugurale est éditée sous forme imprimée (Fayard/Collège de France, 2011) et numérique (en ligne : Collège de France, 2013 ; http://books.openedition.org/cdf/399). Elle est également disponible sous forme vidéo sur le site Internet du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/site/jean-marie-tarascon/inaugural-lecture-2010-12-09-18h00.htm

Texte intégral

Leçon inaugurale : L’énergie : stockage électrochimique et développement durable

1L’énergie : stockage électrochimique et développement durable, publiée en ligne dans la collection Leçons inaugurales du Collège de France : http://lecons-cdf.revues.org/​399, et sous forme de livre, dans la collection Fayard/Collège de France (Paris, Éditions Fayard, 2011).

Cours : Enjeux et défis du stockage et de la conversion de l’énergie dans le contexte du développement durable

2L’approvisionnement et la gestion de l’énergie sont plus que jamais au centre de nos préoccupations quotidiennes et représentent une priorité socio-économique majeure. Notre dépendance actuelle aux énergies fossiles (e.g. 85 %) a deux conséquences primordiales : l’épuisement des réserves et l’amplification de l’effet de serre consécutif à l’émission de CO2 issu de leur combustion. En raison de la croissance démographique, qui fera passer la population de la planète de 7 à 10 milliards en 2050, et du développement économique, les besoins en énergie de l’humanité vont doubler, passant de 132 000 TWh aujourd’hui à 264 000 TWh en 2050, ce qui pourrait accroître la concentration atmosphérique en CO2 de 370 à 550 ppm si aucune action n’est entreprise ; la conséquence étant un réchauffement climatique plus important. Enrayer cette tendance nécessite de mettre fortement à contribution des sources d’énergie neutres en carbone. Tout le monde s’accordera à dire qu’il s’agit d’un des plus grands défis que le xxie siècle soumet à l’humanité.

3Ce scénario associant réchauffement climatique, réserves limitées de combustibles fossiles et pollution croissante des villes montre à quel point il est important de se tourner vers l’utilisation efficace des énergies renouvelables (solaire, éolienne, géothermique, biomasse, etc.) à faible empreinte CO2 et de proposer des solutions innovantes pour faciliter la transition progressive du véhicule thermique (responsable de 30 % des émissions de CO2) au véhicule électrique. L’intermittence des énergies renouvelables (ER) ainsi que le besoin d’embarquer de fortes densités d’énergie à bord des véhicules électriques pour en assurer une autonomie suffisante font du stockage et conversion de l’énergie Le défi des prochaines décennies.

4Parmi les différentes ER, l’énergie solaire est très attractive, de par son abondance, puisque la Terre reçoit du Soleil toutes les 90 minutes une quantité d’énergie équivalente à celle que l’humanité utilise annuellement (~ 132 000 TWh). Il reste bien sûr à la convertir et à la stocker. Cela nécessitera non seulement des systèmes photovoltaïques plus efficaces pour convertir la lumière en électricité mais aussi des moyens de stockage tels que des accumulateurs/supercondensateurs/piles à combustible plus performants pour stocker cette énergie sous sa forme chimique et la restaurer sous forme électrique quand besoin est. Les différentes stratégies de recherche mises en place dans ces domaines s’avèrent prometteuses mais leur temps de maturation reste très incertain. Quel que soit leur succès, on se devra de garder en mémoire qu’il est toujours préférable d’économiser de l’énergie que d’en produire.

5C’est afin de documenter et d’éclairer ce contexte énergétique complexe, dont l’avenir de notre planète dépend, que cet enseignement a été construit. Vu l’ampleur du domaine, il se veut volontairement limitatif et centré sur les avancées/enjeux fondamentaux/appliqués liés à la conversion et au stockage électrochimique de l’énergie, avec une plus grande partie consacrée à ce dernier, que je n’ai pu éviter compte tenu de mes activités de recherche dans ce domaine.

6Le dénominateur commun à tous les systèmes de stockage/conversion de l’énergie (piles à combustible, accumulateurs, supercondensateurs, cellules photovoltaïques) est que l’amélioration de leurs performances est tributaire de la capacité de la chimie, parfois capricieuse, à fournir les matériaux nécessaires sur demande. Ainsi, nous faisons état des efforts des chimistes, i) pour élaborer de nouvelles méthodes de synthèse afin de préparer des matériaux massifs ou nanométriques à morphologies contrôlées et ii) pour concevoir de nouveaux matériaux, soit sur la base de leur intuition, soit guidés par des méthodes de calcul prédictives. L’impact de ces recherches au niveau des matériaux est décrit au travers des différentes technologies d’accumulateurs, de supercondensateurs, de cellules photovoltaïques et des autres qui en ont découlé.

7Mais ces matériaux plus performants doivent aussi répondre aux critères du développement durable, c’est-à-dire que nous devons les concevoir et les choisir de manière à ce que leur future production ne contrebalance pas le bénéfice acquis. L’analyse du cycle de vie des matériaux d’électrodes actuels montre que leur production est coûteuse en énergie et en atomes et que leur recyclage est aussi loin d’être neutre. Des études montrent qu’il faut dépenser 280 kWh et produire 80 kg de CO2 pour fabriquer un accumulateur Li-ion capable de restituer 1 kWh. Il en découle donc la nécessité de développer des accumulateurs à ion Li, ou autres, plus durables et plus écologiques, et de favoriser le stockage éco-compatible. C’est ainsi que les recherches actuelles sur les matériaux d’électrodes reposent soit sur l’utilisation de matériaux inorganiques composés d’éléments chimiques peu coûteux et abondants (Fe, Ti, Mn, P, S) pouvant être élaborés par des procédés éco efficaces (cf. approches basses températures et bio-inspirées), soit sur des molécules organiques renouvelables préparées à partir de la biomasse selon les préceptes de la chimie verte et à faible empreinte CO2. L’analyse du cycle de vie ainsi que l’aspect recyclage des matériaux spécifiques à chaque technologie de stockage et de conversion de l’énergie ont donc constitué un autre aspect de cet enseignement.

8L’abondance de l’énergie issue du Soleil est telle que couvrir 0,1 % de la surface terrestre avec des cellules solaires ayant 10 % de rendement suffirait à pallier les besoins actuels de l’humanité. Cependant, il sera montré que puiser dans ce réservoir demeure un challenge colossal, malgré les nombreuses filières de cellules photovoltaïques existantes (inorganiques, organiques ou à colorants) et malgré les progrès réalisés sur leur rendement pouvant atteindre aujourd’hui 31 %, les calculs laissant même envisager pouvoir aller jusqu’à 44 %. Cependant, le coût du kWh photovoltaïque (0,5 $/kWh) demeurant beaucoup plus cher que celui des énergies conventionnelles (0,05 $/kWh), le soutien de subventions gouvernementales s’avère nécessaire pour le rendre concurrentiel.

9Le domaine du stockage de l’énergie doit faire face aux exigences du transport électrique. Les dernières avancées des diverses filières (piles à combustible, accumulateurs, supercondensateurs) ont été passées en revue et comparées afin d’illustrer le chemin restant à parcourir avant que le stockage électrochimique puisse fournir l’énergie de l’essence à masse égale. Bien que très intéressante d’un point de vue éco-compatible, l’implantation des piles à combustible dans les véhicules électriques est constamment repoussée de 10 à 15 ans, principalement pour des raisons de coût et des difficultés toujours persistantes dans la production et le stockage de l’hydrogène. Beaucoup d’espoir en revanche repose aujourd’hui sur les accumulateurs à ions lithium qui ont envahi le marché de l’électronique portable et qui apparaissent comme le meilleur choix pour les véhicules électriques et peut-être pour les applications réseau en raison de leur densité d’énergie élevée (~ 180 Wh/kg). Il n’en demeure pas moins qu’elle devra être encore multipliée par 15 pour égaler l’essence (3 000 Wh/kg), ce chiffre tenant compte du faible rendement du moteur thermique (loi de Carnot). Pour réduire ce gap, de nouvelles technologies en état d’émergence, telles que Li-air, Li-S ou Li-Redox à électrolyte circulant, ont été passées en revue.

10Pour terminer ce panorama énergétique, outre l’utilisation des systèmes électrochromes dans le visible ou l’IR pour économiser l’énergie, nous avons évoqué les dernières avancées au niveau de l’énergie nucléaire avec, notamment, les avantages que peuvent apporter les générateurs de 3e et 4e générations, en ne laissant pas de côté la question de la gestion des déchets nucléaires qui freine l’acceptabilité de cette source d’énergie.

11Finalement, afin d’illustrer la nécessité de favoriser et de renforcer les partenariats et synergies entre les organismes publics de recherche et les industries pour lever les verrous scientifiques, technologiques, économiques et sociétaux des développements industriels dans le domaine de l’énergie, cet enseignement a été complété par des conférences d’intervenants du monde universitaire et d’industriels issus des domaines du véhicule électrique, des applications réseaux, du domaine du recyclage, de la séquestration de CO2 et autres.

12En résumé, cet enseignement, outre le fait de décrire les problèmes, les avancées ainsi que les futures tendances dans le domaine de l’énergie et de mettre à contribution les industriels, s’est voulu avant tout éducatif, afin que les participants puissent acquérir la connaissance et les outils nécessaires pour participer à cette belle aventure énergétique dont notre future planète dépend. Ci-dessous le contenu de chaque cours et séminaire ainsi que les messages délivrés est succinctement retransmis. Pour des raisons de cohérence nous traiterons cours et séminaires associés et procéderons dans l’ordre chronologique qu’ils ont été donnés.

Matériaux pour l’énergie : Introduction et quelques aspects de synthèse

Cours du 26 janvier 2011

13Les matériaux étant essentiels pour le stockage électrochimique de l’énergie, nous avons tenté de présenter les stratégies de recherche à mettre en œuvre dans la quête pour de nouveaux composés. Sur la base de l’évolution des rayons atomiques, de l’électro-négativité et de l’énergie d’ionisation au sein du tableau périodique, les différentes règles constituant la boîte à outils du chimiste inorganicien ont été établies. Celles-ci font intervenir les notions d’activités rédox, de comportement acido-basique, de iono-covalence, mais aussi de considérations structurales. Dans ce dernier cas, la règle du tailleur qui gouverne l’agencement tridimensionnel d’atomes et fait appel à des notions de coordinance/taille/interactions électrostatiques a été décrite. Ces bases rappelant les méthodes de synthèse hautes et basses températures ont été abordées avec, pour chacune d’entre elles, la description de concepts généraux dans le choix des précurseurs et les conditions de synthèse (température et atmosphère oxydante ou réductrice). La synthèse céramique de LiMn2O4 et LiFePO4 via l’approche « bake and shake », ou plus spécifiquement via le procédé Pechini, est détaillée tout autant que la chimie basse température via les procédés hydro/solvo/ionothermaux ou bien en solution pour la réalisation de réactions d’échanges ou d’insertion, voire de réactions acido-basique.

Chimie théorique combinatoire pour la quête de nouveaux matériaux

Séminaire du 26 janvier 2011. Invité : Gerd Ceder, MIT

14Malgré toutes ces notions, il n’en demeure pas moins que la quête pour de nouveaux matériaux est encore vouée à l’intuition du chimiste. Face à l’urgence des problèmes énergétiques, la notion de temps doit être intégrée dans nos recherches. Le tableau périodique est riche de combinaisons parmi lesquelles se trouvent nos matériaux de demain. Cependant, comment trouver rapidement la solution gagnante ? Une tentative de réponse fut apportée dans le séminaire donné par G. Ceder, qui travaille actuellement sur des approches de chimie théorique combinatoire, avant une prédiction de l’existence (stabilité thermodynamique) de nouveaux matériaux, voire de leurs propriétés électrochimiques ; le but final étant d’établir un génome des matériaux par analogie à ce qui est fait dans le domaine du codage de l’ADN. Bien que plusieurs milliers de combinaisons aient été étudiés avec, pour chacune d’entre elles, la prédiction des capacités et potentiels électrochimiques, peu d’entre elles se sont avérées particulièrement intéressantes, en dehors de celles déjà connues. Le caractère prédictif limité de ces calculs fut mis à profit par le conférencier pour souligner la longue route qui reste à parcourir pour rendre les calculs théoriques plus prédictifs ainsi que le besoin de définir de nouveaux formalismes et de cerner les paramètres clés gouvernant structure et propriétés des matériaux.

Histoire et évolution des technologies d’accumulateurs

Cours du 2 février 2011

15Malgré la médiatisation des dispositifs électrochimiques actuels, il importait de rappeler que ces dispositifs, que ce soit la batterie, le supercapaciteur, voire la pile à combustible, dataient de plus de 200 ans. C’est ainsi que l’exposé sur l’histoire des batteries a présenté l’évolution des technologies de batteries allant de la pile Volta à la batterie à ions Li et au-delà. Nous avons mentionné les circonstances de la découverte de la pile Volta qui sanctionna le début de l’électricité et avons décrit les technologies de pile qui ont suivi, à savoir les piles Daniell, Becquerel, Leclanché, puis les piles au Li, tout en précisant pour chaque système leur spécificité au niveau de la chimie et de leur assemblage. Une telle systématique fut également utilisée au niveau des accumulateurs : accumulateurs au plomb, Ni-Cd, Ni-MH, Li et Li-ion. On a rapporté les performances de chacun d’eux, en expliquant leur fonctionnement qui, initialement, reposait sur l’utilisation d’électrodes fonctionnant en milieu aqueux selon des réactions de conversion (plomb-acide), puis d’insertion (Ni-Cd et a fortiori Ni-MH qui comporte deux électrodes d’insertion) avant d’aboutir aux accumulateurs à ions lithium dont le principe de fonctionnement allie réactions d’insertion et électrolytes non aqueux. Les évolutions de cette dernière technologie, englobant leur passage par les nanomatériaux, qui a permis le développement des technologies LiFePO4/C ou LiCoO2/Si, ont été décrites tout autant que les recherches actuelles sur les systèmes Li-air qui suscitent aujourd’hui beaucoup d’engouement de la part des industriels et de nos institutions en raison de leur densité d’énergie théorique 10 fois supérieure à la technologie à ion Li actuelle. Par cet exemple, un appel à prudence a été formulé vis-à-vis des effets d’annonces souvent fréquents et loin de la réalité dans le domaine des batteries.

Supercondensateurs : Principes et évolution

Séminaire du 2 février 2011. Invité : Patrice Simon (CIRIMAT, Toulouse)

16Comme suite logique, dans le séminaire intitulé « Les supercondensateurs : principes et évolutions », P. Simon montra qu’à la différence des batteries qui permettent de fournir des faibles puissances pendant des temps longs, les supercondensateurs sont des systèmes de puissance qui peuvent fournir des pics de courant élevés pendant des durées de plusieurs secondes. Il en rappela les principes de fonctionnement qui expliquent ces caractéristiques de puissance intermédiaires entre les condensateurs et les batteries. Des exemples d’applications de ces systèmes pour la fourniture de puissance (véhicules hybrides de Peugeot) ainsi que pour la récupération de l’énergie cinétique (tramway électrique d’Alstom) illustrèrent ses propos. Comme pour les batteries, les performances des supercondensateurs dépendent des matériaux utilisés pour électrodes. Parmi les différents carbones utilisés (carbone activé, nanotube de carbones ou autres) ceux dérivés de carbures (CDC), pour lesquels la taille des pores est inférieure à la taille des ions solvatés, ont été mis en avant en raison de leur capacitance exacerbée. Bien que ce mécanisme reste encore à élucider, des exemples de travaux de modélisation ont été présentés pour donner l’état de l’art de la recherche aujourd’hui sur ces systèmes CDC. Il en fut de même des recherches actuelles s’effectuant sur supercondensateurs à base d’oxydes, dans lesquels le stockage des charges s’effectue par réaction rédox de surface (RuO2, MnO2,). L’exposé s’est terminé par l’énumération des différents défis scientifiques restant à relever pour cette technologie, à savoir l’augmentation de la densité d’énergie qui passe soit par la mise au point de matériaux à capacité exacerbée, soit par la synthèse de nouveaux électrolytes à grande fenêtre de stabilité électrochimique permettant d’atteindre des potentiels plus élevés.

Matériaux organiques/polymères dans le contexte des accumulateurs à ions Li pour un développement durable

Cours du 9 février 2011

17Les matériaux organiques/polymères sont aujourd’hui implantés dans de nombreux domaines d’applications tels celui de l’électronique, du photovoltaïque ou bien l’éclairage avec les diodes électroluminescentes organiques. L’objectif de ce cours était de montrer que les accumulateurs à ion Li tiraient également parti de ces matériaux tant au niveau des électrodes que des électrolytes. Celui-ci commença par une revue historique des polymères mentionnant les recherches clés dans ce domaine pour le stockage électrochimique de l’énergie, telles i) la synthèse du Nafion (conducteur protonique) par Crot (1968), ii) l’observation de conductivité ionique élevée dans des complexes (PEG-PEO + matériaux alcalins) par P. Wright (1973) et la découverte des polymères conducteurs électroniques par Shirakawa, McDiarmid et Heeger en 1977 (prix Nobel 2000), qui a conduit à la première batterie polyacéthylène/Li en 1979. S’en est suivi la description de l’apport bénéfique des polymères conducteurs ioniques avec deux technologies à la clé. La première, basée sur PEO + sels de lithium, connue sous le nom de batterie polymère tout solide, fonctionne à 80 °C et est actuellement développée par Bolloré pour alimenter la « blue car » du programme autolib. La deuxième, basée sur les polymères plastifiés (PVDF-HFP + électrolyte liquides) fonctionnant à température ambiante, est connue sous le nom de batterie plastique à ions Li (PLiION) ; elle est commercialisée pour des applications portables mais également pour des véhicules électriques.

18L’avantage actuel essentiel d’électrodes à base de molécules organiques électroactives bien choisies, telles le dirhodizonate (L2C6O6) ou le terephtalate (Li2C8H6O4) de Li, qui sont fabriquées à partir de précurseurs provenant de la biomasse via des concepts de chimie verte, réside dans le fait de pouvoir développer des accumulateurs à ion Li plus durables et plus écologiques. De tels concepts ont conduit au développement des premières batteries organiques à ion Li éco-compatible. Bien que les performances de ces batteries soient encore faibles, il n’en demeure pas moins qu’elles présentent le cycle de vie idéal en raison de leur faible empreinte CO2 due au fait que 1) les électrodes sont issues de la biomasse et 2) le recyclage de ces matériaux est rapide, utilisant le soleil : source abondante et bon marché.

La réincarnation des métaux à travers le recyclage des piles, batteries, etc. par voie non polluante

Séminaire du 9 février 2011. Invité : Farouk Tedjar (Recupyl)

19Par son séminaire intitulé « la réincarnation des métaux », F. Tedjar a avancé l’idée que l’on pouvait toujours utiliser des électrodes inorganiques dans le contexte du développement à condition de les recycler. Ses propos furent illustrés par des exemples concrets montrant que, à partir d’une chimie variée, il existe des possibilités de récupérer les éléments tels le Co et Li. Mais il faut utiliser de préférence des procédés hydro-métallurgiques (basses températures) plutôt que pyro-métallurgiques (hautes températures). Il insista fortement sur l’importance de passer de la mine ancienne à la mine « urbaine », non seulement pour un développement durable mais pour des questions de coût ; ce qu’il démontra par le fait qu’il faut par exemple manipuler 250 t. de minerai (spodumène) ou 750 tonnes de saumure pour extraire 1 t. de Li alors que traiter seulement 28 tonnes suffit pour les « accumulateurs Li-ion portables ». Cela nécessite bien sûr une collecte efficace des batteries, sur laquelle il a fondé son espoir en raison de l’évolution des normes européennes, et en pariant que, à la longue, le financement du recyclage serait introduit dans le prix de la batterie à l’achat. Il est donc essentiel que l’on utilise le présent pour améliorer le futur plutôt que d’hypothéquer le futur pour satisfaire le présent. Pour cela, il a proclamé le début d’une autre chimie qu’il appelle « chimie de la réincarnation », c’est-à-dire une chimie centrée sur le recyclage et visant à redonner une seconde vie à des matériaux en voie d’épuisement. Recyclage n’est certes pas un mot « chic » pour notre communauté qui, trop souvent, suit les effets de mode ou d’annonce, mais il n’en demeure pas moins qu’il sera essentiel dans le futur. Il termina sur cette note optimiste : les alchimistes ont échoué dans la transformation du plomb en or, les nouveaux alchimistes ne pourraient-ils pas transformer les déchets en or ?

Filière hydrogène : de la production au stockage

Cours du 23 février 2011

20L’hydrogène moléculaire H2 (qui n’existe pratiquement pas dans la nature mais dont l’énergie de combustion est 3 fois supérieure à un litre d’essence) est considéré comme un possible vecteur d’énergie, notamment pour la valorisation des énergies renouvelables non émettrices de CO2. Encore faut-il que l’on sache le produire, le transporter et le stoker proprement. C’est à cela que ce cours tente de répondre en donnant une vue panoramique des procédés de production/transport et stockage en termes de principe et de maturité technologique afin de mieux mettre en exergue les difficultés et les enjeux associés.

21L’hydrogène est produit à partir de sources hydrogénées abondantes sur terre, telles les carburants fossiles, la biomasse et l’eau, à hauteur de 40 % à partir du gaz naturel, 30 % à partir du pétrole, 18 % à partir du charbon et 4 % à partir de l’électrolyse de l’eau. Il sera noté que la production de H2 à partir des énergies fossiles via des procédés de vapo-reformage ou d’oxydation partielle, bien que conduisant à des rendements de 60 à 70 %, est associée à des émissions massives de CO2. Il en est de même de la transformation thermochimique de la biomasse pour la production H2. En revanche, pour des rendements identiques, la production de H2 à partir de l’eau est moins polluante, à une condition près : que l’électricité primaire utilisée soit propre (c’est-à-dire venant de centrales nucléaires et non thermiques). Il n’en demeure pas moins que c’est l’obtention de H2 à partir de H2O via la photo-électrolyse ou la photosynthèse, voire même la photosynthèse artificielle, qui est la plus attrayante dans le cadre du développement durable. Cependant, dans ce cas, les rendements sont encore trop faibles, ce qui justifie l’intensité des recherches actuelles dans ces domaines.

22L’hydrogène produit est transporté par pipeline ou plus communément sous forme liquide ou compressée, d’où l’importance de le stocker. Cela se fait soit par voie conventionnelle (gaz comprimé et liquide cryogénique), soit par stockage à l’état solide par adsorption (procédé physique) ou absorption (procédé chimique). Un passage en revue de ces différentes formes de stockage permet d’en déduire leurs avantages et inconvénients en termes de pertes énergétiques, sécurité de stockage et commodité. Il en résulte que le choix d’un système n’est pas universel mais dépend de l’application : une application stationnaire subira moins les contraintes du poids du système, les applications spatiales et aéronautiques subiront moins les contraintes du coût économique et enfin les applications véhicules électriques subiront les contraintes du volume. Les hydrures métalliques sont fortement convoités pour pallier ces problèmes de volume, mais, une fois de plus, l’absence de matériaux adéquats ne fait qu’en retarder leurs utilisations.

23On ne saurait conclure cet exposé sans mentionner le facteur risque qui est aussi une source de blocage du développement de technologies liées à l’hydrogène. D’où l’importance des projets de démonstration afin de convaincre public et pouvoirs publics de l’innocuité de H2.

Autres systèmes pour le stockage et la conversion de l’énergie : volants d’inertie, solaire thermique, redox flow

Séminaire du 23 février 2011. Invité : Dominique Larcher (université d’Amiens)

24Outre les chaînes énergétiques classiques (énergies fossiles, biomasse, photovoltaïque, stockage électrochimique, stockage par barrages hydroélectriques,), d’autres voies émergentes méritent d’être explorées afin de compléter le panorama énergétique du futur et d’en anticiper de possibles maillons.

25Le solaire thermique est l’une des technologies énergétiques les plus anciennes et de nombreux projets récents en démontrent la viabilité, mais leur mise en œuvre se heurte au problème intrinsèque à toute technologie solaire qui est la nécessité de concentrer le rayonnement (parabole, tours solaires, miroirs cylindro-paraboliques, système linéaire-Fresnel), et ce, bien que le soleil nous délivre en une heure l’équivalent de nos besoins annuels mondiaux. Au problème de concentration s’ajoute celui du stockage thermique qui peut mettre en jeu des réactions chimiques réversibles (BES), des transitions de phases (LHS) ou un simple échauffement de substances stables (SHS = Sensible Heat Storage). Actuellement, les plus grandes fermes solaires sont basées sur un système de capture cylindro-parabolique et un stockage SHS, et peuvent délivrer jusqu’à 400 MW.

26Dans le contexte d’un stockage énergétique de masse nécessaire à une gestion « réseau » efficace et un écrêtage performant, les accumulateurs redox-flow représentent une voie en pleine expansion. Il s’agit de systèmes principalement stationnaires où la capacité et la puissance stockées peuvent être découplées par un stockage des réactifs à l’extérieur de la cellule électrochimique, des pompes assurant son approvisionnement en réactifs. Le montage en série ou en parallèle des cellules permettant aussi de régler la demande en voltage ou en intensité. La quantité d’énergie stockée est donc la résultante du choix des couples redox, du dimensionnement des réservoirs et de la concentration des solutions. La recharge du système peut se faire par inversion du courant, comme dans un accumulateur classique, mais aussi par rechargement des réservoirs. Les systèmes les plus répandus font intervenir les couples V3+/V2+ et V5+/V4+ et équipent déjà des stations de stockage associées à des fermes éoliennes (modules de 250 kW). À noter que le choix de la membrane qui sépare les compartiments de la cellule est un aspect critique de cette technologie. On assiste actuellement à l’émergence de l’idée de cellules redox-flow Li-ion basées non pas sur la circulation de solutions mais d’encres/suspensions conductrices.

27Les volants d’inertie (ou flywheels) peuvent être considérés comme des accumulateurs mécaniques au sens où l’énergie y est stockée par l’intermédiaire d’un solide en rotation à grande vitesse. Il s’agit de systèmes parfaitement adaptés à un stockage « réseau » de courte durée. La quantité d’énergie stockée est fixée par la taille de l’objet en rotation, de sa géométrie et de sa vitesse. Malgré des densités d’énergie encore faibles, ces systèmes ont l’avantage d’une très longue durée de vie et de l’absence de risques chimiques. Des stations de 20 MW sont déjà installées dans certains réseaux de distribution.

28Finalement, il est important de signaler que ces 3 technologies complètent le spectre des systèmes de stockage, en termes de « coût par cycle », bien qu’elles ne concurrencent pas encore sur ce point le stockage hydro-électrique.

Photovoltaïque : principes et filières inorganiques, organiques, hybrides

Cours du 2 mars 2011

29À ce jour, l’unique vecteur intarissable et éco-compatible est le soleil, qui, grâce à son rayonnement, fournit 178 000 TW. Cependant, la difficulté majeure, comme évoquée durant ce cours, reste de convertir cette énergie de manière efficace et à bas coût. Différentes stratégies de recherche prometteuses sur la conversion de l’énergie solaire sont actuellement poursuivies et consistent, entre autres, à transformer l’énergie solaire en différents vecteurs que sont i) les bio-combustibles obtenus par la photosynthèse naturelle ou par la photosynthèse artificielle, ii) l’hydrogène par des réactions de photo-catalyse et iii) l’électricité par la conversion photovoltaïque. C’est ce dernier axe que nous avons développé sachant que nos besoins énergétiques pourraient être aujourd’hui satisfaits en couvrant 0,1 % de la surface totale de la terre par des panneaux solaires ayant un rendement de conversion de 10 %. Cette voie photovoltaïque reste cependant un challenge colossal malgré les nombreuses filières de cellules photovoltaïques existantes (inorganiques, organiques ou à colorants) que nous avons décrites en en rappelant les principes de fonctionnement et les rendements. Les cellules inorganiques et organiques de rendement respectif de 20 et 8 % fonctionnent par l’absorption d’un photon par un semi-conducteur pour créer une paire électron-trou qui est dissociée à la jonction pn pour générer de l’électricité alors que pour les cellules à colorants, qui copient la photosynthèse végétale, la création d’électrons et de trous est générée par l’absorption de lumière par un colorant pigmenté (l’équivalent de la chlorophylle dans les plantes). Les évolutions de ces différentes technologies avec notamment 1) le développement d’hétérostructures, de cellules bipolaires ou de concentration permettant d’atteindre des rendements de 40 %, ou 2) des cellules à colorant, ou organiques, par le développement de nouveaux pigments ou reposant sur des couples accepteurs-donneurs de molécules organiques judicieusement choisis, ont été passées en revue. Enfin, ce cours évoqua également les problèmes de l’énergie photovoltaïque qui sont (i) son coût, encore 5 voire 7 fois plus élevé que celui des énergies conventionnelles (0,05 $/kWh) avec cependant l’espoir que celui-ci puisse approcher celui du kWh nucléaire d’ici 2030, et (ii) son intermittence, qui nécessite de nouvelles technologies de stockage de l’énergie pouvant s’adapter aux applications réseaux. On ne pouvait cependant terminer ce cours sans citer la réflexion de Nathan Lewis que nous pouvons sans peine élargir au niveau mondial : « Aux États-Unis, quotidiennement, nous dépensons globalement plus d’argent pour acheter notre essence à la pompe que nous en consacrons annuellement à la recherche sur l’énergie solaire, alors que dans cette même heure, le soleil nous prodigue toute l’énergie que notre planète utilise en une année. Hélas ne nous savons point la capturer, la convertir et l’utiliser de façon efficace ».

Accumulateurs, piles à combustibles, applications réseaux

Séminaire du 2 mars 2011. Invité : Stéphane Lascaud (EDF Paris)

30C’est le fait que l’électricité se stocke plus difficilement qu’elle ne se transporte qui a conduit à concevoir et à exploiter en temps réel les réseaux électriques pour maintenir l’équilibre offre-demande. Hormis pour des applications en site isolé ou insulaire, le stockage d’énergie électrochimique reste utilisé de manière marginale. Toutefois, depuis une décennie, de nouvelles technologies de batteries au sodium (Na-S) et au lithium (Li-Ion), avec de hautes performances et des durées de vie adéquates, commencent à être utilisées pour gérer l’intermittence des énergies renouvelables photovoltaïque et éolienne et offrir de nouveaux services aux réseaux électriques. Ces approches devront cependant être intensifiées pour répondre aux espérances européennes, s’accordant à celles du Grenelle de l’environnement, qui souhaitent porter la production à 20 % en 2020 et viser, si possible, la part des EnR dans la production d’électricité en Europe. Depuis l’application chez le client jusqu’au poste source, le séminaire a retracé les fonctionnalités, les technologies en cours d’expérimentation, d’exploitation et souligné les challenges techniques et économiques à relever pour renverser le paradigme cher aux électriciens : « l’électricité ne se stocke pas ». Dans ce contexte, les prouesses liées aux réseaux intelligents ou smart grid furent bien sûr évoquées.

Les piles à combustible et les différentes filières

Cours du 9 mars 2011

31Découverte en 1839 par Sir William Grove, la pile à combustible est un dispositif électrochimique qui transforme directement la chaleur de combustion d’un combustible en électricité, sans être limité par le principe de Carnot, permettant ainsi des rendements de conversion élevés. De plus, lors de la conversion, le combustible est oxydé électrochimiquement à l’anode et l’oxydant (oxygène de l’air) est réduit à la cathode, si bien que le seul produit rejeté est de l’eau, conférant ainsi aux piles à combustibles un aspect écologique attractif. Il n’en demeure pas moins qu’après plus de 150 ans de recherche, leur commercialisation à grande échelle est constamment repoussée et ce, comme nous le montrons dans le cours, pour des raisons de coûts et de verrous technologiques restant à lever.

32En deçà des aspects thermodynamiques et cinétiques qui gouvernent son fonctionnement, nous passons en revue les différentes technologies de piles à combustible, au nombre de 6, qui différent soit par la nature chimique de l’électrolyte, la température de fonctionnement, soit par la puissance générée et donc par les applications visées pouvant couvrir un domaine de puissance installée allant du W (électronique), au kW (véhicule électrique) et au MW (stockage stationnaire pour applications réseaux, hôpitaux,). Ce panorama rapide montre tout l’intérêt actuel pour (i) les systèmes basses températures à membranes échangeuses de protons connus sous le nom de PEMFC et (ii) les systèmes hautes températures, tombant sous la coupe des piles SOFC, Solid oxide fuel cells. L’atout majeur pour cette dernière est sa capacité à co-générer de l’électricité et de la chaleur si bien que son rendement global peut atteindre 70 à 80 %, ainsi que la possibilité d’utiliser, outre le H2, divers autres combustibles tels le gaz naturel, le méthanol ou encore des biogaz. En revanche, sa faiblesse réside dans l’instabilité des matériaux utilisés, qui conduit à des vieillissements prématurés et des performances insuffisantes malgré un coût élevé. Le système basse température PEFMC, fortement convoité pour les applications de véhicules électriques, profite au contraire d’une mise en opération rapide ainsi que d’un bon comportement en puissance rapide mais souffre, entre autres, de nombreux problèmes tels que (i) la nécessité d’utiliser des catalyseurs onéreux (Pt), (ii) l’empoisonnement par CO, ce qui nécessite un combustible (H2) extrêmement pur, (iii) l’absence de co-génération ou (iv) l’assèchement des membranes. Pour minimiser les inconvénients des technologies PEMFC et SOFC, tout en en gardant leurs avantages, on soulignera les recherches actuelles sur les systèmes intermédiaires de type PCFC utilisant une membrane céramique comme les SOFC, mais protonique comme les PEMFC pouvant fonctionner à 180 °C ou encore les piles de type ITSOFC ayant des températures de fonctionnement plus basses (environ 200 °C) que les SOFC. Il n’en demeure pas moins que toutes ces nouvelles directions avec, de plus, celle de vouloir utiliser des piles à combustibles à combustion directe de méthanol, DMFC, ne cessent de poser des problèmes colossaux au niveau des matériaux (électrode, électrolytes, interconnecteurs) tant pour ce qui est de leurs performances que de leurs coûts. Face à cette complexité, on peut conclure que la PAC est encore dans la période de R& D et que 10 à 15 ans sont encore nécessaires avant la commercialisation et la pénétration du marché ou bien que la PAC qui est depuis plus de 150 ans une technologie d’avenir le restera encore pour quelques décennies, en laissant aux auditeurs présents le soin de choisir l’une ou l’autre de ces deux formules à la lumière du cours.

Accumulateurs/piles à combustible dans le contexte du transport automobile

Séminaire du 9 mars 2011. Invité : François Orsini (Renault, Paris)

33Qu’en est-il des piles à combustible face aux batteries, pour ce qui est des applications à des véhicules électriques ? C’est à cela que F. Orsini (Renault) a tenté de répondre en centrant son séminaire sur les technologies d’accumulateurs plutôt que sur les piles à combustibles. Il annonça que Renault avait décidé de commercialiser dès 2011 des voitures 100 % électriques utilisant des batteries (Li-ion), mais aborda également la question des véhicules hybrides afin de mettre en relief les demandes énergétiques différentes pour la batterie parmi toutes ces applications (du 12V start-stop jusqu’au véhicule électrique, en passant par divers degrés d’hybridation). Parmi les différentes technologies de batteries, les systèmes Li-ion sont aujourd’hui les plus prometteurs à court et moyen termes en raison de leur densité d’énergie, puissance et autonomie élevées : > 150 Wh/kg pour la technologie Li-ion face à, respectivement, ≈ 70 Wh/kg, ≈ 50 Wh/kg et ≈ 30 Wh/Kg pour les technologies Ni-MH, Ni-Cd et Pb. Cependant, d’autres aspects tels que la sécurité, la durabilité, la fiabilité, la recyclabilité, sans oublier le coût global d’utilisation, doivent être pris en considération relativement aux contraintes imposées par les automobiles. Bien qu’une autonomie plus grande soit souhaitée, de nombreuses études montrent que l’autonomie actuelle des VEs (≈ 160 km) serait suffisante en Europe pour plus de 85 % des trajets quotidiens. Au niveau de la recharge, 3 options selon les circonstances (charge normale, rapide ou échange de batterie « quick drop ») sont actuellement considérées pour pallier la variété des demandes. La question de fiabilité des VEs reste étroitement liée à la durabilité des batteries, d’où la nécessité de bien cerner leurs facteurs de vieillissement ainsi que leurs impacts sur les performances en termes de durée de vie et tenue en cyclage. L’aspect sécuritaire est vu comme une obligation sans compromis pour les constructeurs. De nombreux essais abusifs types (écrasement, perforation, mise en surcharge ou en court-circuit) sont réalisés à différents niveaux (cellule, module, batterie, véhicule) pour se rapprocher du risque zéro avec, de plus, des tests de mise à feu du véhicule pour détecter la nature des gaz émis et leur aspect nocif si lieu il y a. Enfin, pour le rendre attractif il faudrait que le coût d’usage d’un véhicule électrique soit équivalent ou inférieur à celui d’un véhicule thermique. Ce n’est point le cas aujourd’hui étant donné le prix actuel du kWh batterie (≈ 500 €). Cependant, l’espoir demeure par le fait que (i) ce prix devrait baisser sensiblement au fur et à mesure que les volumes de production augmenteront et (ii) de plus, des progrès sont faits au niveau des matériaux constituant la batterie mais aussi au niveau des assemblages, si bien qu’un prix de 250 € par kWh est déjà annoncé. Pour toutes ces raisons, l’arrivée du véhicule électrique ne sera plus une arlésienne comme dans le passé. Seule la peur d’incidents sécuritaires liés à la batterie en freine sa commercialisation rapide.

Électrochromisme : Principe/matériaux/applications

Cours du 16 mars 2011

34À la différence des accumulateurs, supercondensateurs, piles à combustibles qui transforment de l’énergie chimique en énergie électrique ou des systèmes photovoltaïques qui convertissent de l’énergie lumineuse en électricité, les dispositifs électrochromes, qui ne sont rien d’autre que des batteries optiques minces permettent, par l’application d’un potentiel, de moduler le comportement optique dans le visible. Ces dispositifs permettent ainsi de gérer la transmission/absorbance de la lumière au travers d’un vitrage; ils trouvent ainsi leur place dans l’architecture de buildings, sous forme de « vitrages intelligents », pour contrôler la luminosité intérieure à différentes périodes de la journée. Sur le même principe, les dispositifs électrochromes dans l’infrarouge sont aussi importants car ils permettent de contrôler l’émissivité, conduisant ainsi à des applications essentielles dans la gestion thermique des habitations pour l’économie d’énergie. Ce cours avait donc pour but i) de retracer l’histoire des matériaux électrochromes depuis la découverte accidentelle du bleu de Prusse en 1704 jusqu’à la réalisation des premiers dispositifs en 1970, ii) d’en donner les principes de fonctionnement fondamentaux, liés à la modifications du gap optique des matériaux d’électrodes par des réactions redox s’accompagnant d’un transfert de charge, iii) d’en faire l’état de l’art actuel et de mentionner les applications déjà existantes au niveau de la voiture (toits et rétroviseurs) et celles en devenir qui sont liées à leur fabrication sur substrats plastiques, et vi) d’en présenter les perspectives, liées soit au domaine du visible soit à celui de l’IR.

35Les systèmes électrochromes n’étant rien d’autre que des batteries optiques, leur commercialisation implique de résoudre des problèmes classiques et complexes d’électrochimie (interface électrode/électrolyte, stabilité des matériaux) tout en respectant des critères optiques exigeants (transparence, contraste, neutralité de couleur). Ces critères doivent également s’adapter à une demande spécifique pour chaque type d’applications. Malgré le succès acquis sur de petits objets commerciaux, le passage à la grande échelle pour les bâtiments est problématique en raison de nombreuses difficultés qui persistent tant au niveau des matériaux que sur le plan du fonctionnement des dispositifs dont les performances à hautes températures restent quelque peu limitées. Les difficultés au niveau des matériaux sont exacerbées pour les dispositifs électrochromes dans l’IR qui est moins mature, dispositifs pour lesquels les matériaux d’insertion émissifs idéaux restent à isoler, ce qui fait que, faute de mieux, on utilise encore WO3.

36Finalement quelques chiffres permettent de témoigner du besoin de recherches dans ce domaine : i) les vitrages intelligents apportent une économie d’énergie de 40 % par rapport aux vitrages traditionnels ; ii) plus de 7 % de notre consommation énergétique annuelle est liée à la qualité d’isolation de nos fenêtres. Ainsi va la possibilité d’économiser un certain nombre de GWs, et même davantage encore, si l’on songe que pour économie d’un joule, 4 à 5 joules d’énergie primaire sont économisés.

Énergie nucléaire et gestion des déchets

Séminaire du 16 mars 2011. Invité : Philippe Bartoux (ENSCP-Paris)

37L’énergie nucléaire limite la production de dioxyde de carbone mais elle nécessite de gérer des risques à court terme aussi bien qu’à très long terme. Ces derniers engagent la responsabilité d’une société vis-à-vis des générations futures sur de très longues périodes. Même si un gouvernement décidait de stopper la production d’énergie nucléaire, les déchets déjà produits nécessiteront une surveillance et un stockage confiné sur des durées supérieures à 10 000 ans. L’exposé devait traiter des problèmes de déchets nucléaires mais compte tenu de l’actualité récente (Fukushima la semaine précédent la conférence), il a été jugé utile de faire un rappel sur les principes de base de la génération d’énergie électrique dans un réacteur nucléaire. La première partie de la conférence a donc porté sur les principes de la radioactivité et de la fission nucléaire. Les points clés du mode de fonctionnement d’un réacteur moderne (à eau pressurisée ou à eau bouillante) ont été abordés ainsi que les développements envisagés dans les générations futures. Dans la seconde partie, le cycle aval de la filière nucléaire a été discuté. Un bilan massique donne la production de déchets dans le cœur de réacteur et les différentes possibilités de retraitement, de transmutation et de confinement. Les propriétés des différentes matrices de stockage ont été présentées. La vitrification reste la méthode la plus employée pour les déchets de haute activité. L’étude du vieillissement à long terme des matrices a été faite dans des conditions de laboratoire et s’est élargie à des systèmes de plus en plus complexes associés à la barrière de confinement géologique. Ces études sont faites dans un cadre élargi de vieillissement d’analogues naturels, archéologiques et de systèmes industriels. Inversement, les études engagées sur les verres de confinement ont des retombées bénéfiques sur la compréhension mécanistique du vieillissement de matériaux.

Stockage et conversion de l’énergie : synthèse et perspectives

Cours et séminaire du 23 mars 2011. Avec la participation de François Orsini et de Andreas Ehinger (IFP)

38La leçon de clôture de cette chaire a voulu rappeler les aspects problématiques du stockage, de la conversion de l’énergie, mais surtout faire une analyse synthétique i) des problèmes intrinsèques liés à l’efficacité des différentes chaînes énergétiques, ii) des approches et des tendances scientifiques poursuivies, et iii) de la structuration de la recherche pour estimer les chances de répondre à notre challenge énergétique de 2050, qui appelle à une consommation minimale d’énergies fossiles.

39Un simple exercice a tout d’abord consisté, sur la base des rendements affichés lors du cours, pour i) la conversion d’énergie solaire en vecteur énergétique (électricité, hydrogène, bio fuels) et ii) la conversion d’énergie chimique en électricité, à établir les bilans énergétiques finaux de différents scénarios énergétiques allant du puits (énergie solaire) à la roue (véhicules électriques). De telles considérations, bien qu’approximatives, indiquent que l’efficacité énergétique du scénario [soleil→cellule photovoltaïque→réseau électrique→batterie→véhicule électrique] est de ≈ 10 %, comparée à ≈ 2.8 % et ≈ 0,05 % pour les scénarios respectifs [solaire-hydrogène-véhicule électrique] et [solaire-bio-véhicule électrique], alors que le scénario actuel [essence→véhicule thermique] présente une efficacité énergétique de 18 %. Dans ce contexte, compte tenu de la baisse du prix de l’énergie solaire (égal à celui du nucléaire en 2035) et du coût kWh batterie, le trio gagnant pour le futur semblerait être photovoltaïque→batterie→véhicule électrique.

40Quels que soient les systèmes de stockage ou de conversion considérés, leur limite d’efficacité énergétique est constamment liée au manque de matériaux adéquats. Les matériaux sont définitivement au cœur de toute innovation et révolution technologique : nous disposons d’un tableau périodique riche de combinaisons, mais comment trouver rapidement la combinaison gagnante vu le temps limité qui nous est imparti ? L’intuition du chimiste est certes précieuse mais ne suffira plus. Elle devra être doublée de l’apport de la chimie théorique combinatoire prédictive de façon à faire, au niveau des matériaux, ce que tente de faire la génomique au niveau de la biologie. Il resterait alors à compter sur la main verte des chimistes pour synthétiser les matériaux fictifs potentiellement intéressants prédits par les théoriciens.

41Dans le contexte actuel du développement durable, outre le fait de préparer une nouvelle phase, un effort tout particulier devra également être dédié à la simplification des procédés d’élaboration de ces matériaux. Des ruptures technologiques et non des améliorations incrémentales sont nécessaires. Pour cela, il faut sortir des sentiers battus et inciter le chimiste à explorer de nouvelles voies, voire à élaborer de nouveaux concepts de synthèse éco-efficaces. Il y a fort à parier qu’il continuera à s’inspirer de la chimie du vivant en intégrant plus fortement les approches bio-inspirées, biomimétiques, voire bio-sourcées, dont nous avons déjà évoqué l’émergence dans le domaine des batteries, du photovoltaïque ou de la photosynthèse artificielle. De plus, il ne fait aucun doute que la chimie de recyclage que nous avons mentionnée pour les batteries ou la chimie de traitement des déchets nucléaires va connaître un essor considérable. L’intégration réfléchie de plusieurs fonctions dans un même système apparaît dorénavant comme une opportunité pour préparer des systèmes intelligents. Ainsi, la possibilité de créer un système unique de cellule solaire autonome en associant à la fois les fonctions de la batterie et celles de la cellule solaire n’est qu’un exemple des multiples combinaisons possibles.

42En dehors de ces considérations scientifiques, une question légitime est de savoir ce qu’il faudrait encore pour augmenter nos chances de répondre à notre challenge de 2050 (produire 130 000 TWh supplémentaires d’énergie propre). En premier lieu, il y a nécessité de modifier notre paysage scientifique, notamment par un investissement scientifique et financier conséquent associé à une politique courageuse et volontariste de nos institutions. Les risques d’échouer dans cette course vers l’énergie propre sont infimes, si ce n’est celui de ne pouvoir le faire dans le temps qui nous est imparti. L’optimisme doit même régner car les principes des procédés impliqués dans la conversion du soleil en électricité ou de l’énergie chimique en électricité sont connus, il nous reste seulement à trouver comment les rentabiliser et les rendre efficaces à grande échelle d’ici 2050. En revanche, si l’on n’agit pas aujourd’hui, il est certain que l’on s’engage à changer pour le pire la vie sur notre planète pour les siècles à venir.

43La solution finale au problème énergétique qui nous entoure ne sera pas unique mais regroupera un ensemble de solutions faisant fréquemment référence au « mix énergétique ». Dans le contexte actuel, les scientifiques ont de nombreuses responsabilités : celles i) d’assurer des analyses crédibles des différentes options énergétiques en conduisant des analyses de cycle de vie sérieuses, ii) de promouvoir des approches transdisciplinaires englobant la compétence de nombreux domaines scientifiques : de la qualité de ces interactions dépendront nos chances de succès ; iii) de trouver un équilibre entre recherche de nouveaux matériaux et recherche systémique, iv) de mobiliser et de fédérer tous les acteurs de la société concernés et de jouer le rôle de messager vis-à-vis de nos institutions.

44L’énergie concerne notre planète, d’où la nécessité d’une approche mondiale fédératrice et concertée. La réalité est cependant différente, témoignant du paradoxe énergétique. Chaque pays crée en effet son propre programme, son propre agenda, voire ses propres infrastructures, alors qu’il vaudrait mieux créer des ponts que des murs. Le fait que le kWh est vu par certains comme notre prochaine unité monétaire est vraisemblablement à l’origine de ce comportement individualiste face un problème planétaire majeur qui appelle à l’union. Cependant, chaque pays veut profiter de cette économie verte pour réconcilier protection de l’environnement, création d’emplois et compétitivité de façon à se doter d’une une nouvelle croissance économique.

45En guise de conclusion, j’insisterai à nouveau sur le fait que gérer-contrôler-manager l’énergie est le plus grand problème scientifique et technologique que notre planète va avoir à résoudre dans les cinquante prochaines années. Il nous appartient en tant que scientifiques d’alerter notre entourage mais surtout les jeunes afin de les intéresser, voire les enthousiasmer, à ce formidable challenge mais aussi sur les opportunités que la maîtrise de l’énergie représente pour les années à venir. C’était le but de ces cours.

Colloque

L’énergie : enjeux socio-économiques et défis technologiques

46Un colloque intitulé « L’énergie : enjeux socio-économiques et défis technologiques » a été organisé dans le cadre de la chaire les 6 et 7 juin, au Collège de France, avec pour objectifs ceux indiqués dans le descriptif ci-dessous.

47L’énergie est définitivement l’élément vital des sociétés modernes, l’électricité en étant le vecteur, avec le Wh pouvant devenir notre prochaine unité monétaire. Ne demandons donc pas pourquoi le secteur énergétique devient si médiatisé ! Mais quelle est la réalité derrière ce paysage médiatique ? Ce colloque a tenté d’y apporter une réponse en réunissant pour deux jours des conférenciers de nationalités et d’expertises diverses. La structuration de la recherche ainsi que les aspects fondamentaux et appliqués liés à la production, conversion et stockage des énergies renouvelables provenant de la biomasse, du soleil, ainsi qu’à l’utilisation de l’énergie nucléaire ou des énergies fossiles avec capture de CO2 ont été traités, et l’aspect recyclage dans son contexte général discuté. L’impact de ces nouvelles filières d’énergies « décarbonnées » dans le domaine du transport électrique et des applications réseau a été décrit par des experts industriels du domaine. De par son aspect informatif, éducatif et scientifique, ce colloque s’est adressé à un public varié.

48Les solutions semblent se distribuer sur trois tableaux : l’amélioration de l’efficacité énergétique, le développement massif des énergies renouvelables et l’encadrement des émissions de carbone par la régulation. Aussi, la sensibilisation des nouvelles générations aux enjeux environnementaux aura, il est à espérer, un impact positif quant aux perspectives et à la perception de l’énergie (une fonction et non une marchandise). Néanmoins, de nombreuses questions urgentes restent posées, dont celle des modes de vie et des modes de production des pays émergents. La nécessité du « mix énergétique » est admise, dans tous les cas de figure.

49Finalement, l’énergie concerne notre planète, d’où la nécessité d’une approche mondiale, fédératrice et concertée et non une approche isolée où chaque pays crée son propre programme, définit son propre agenda, obnubilé par l’aspect lucratif de l’économie verte.

50Un document de prospective sur la base des discussions du colloque, rédigé en collaboration avec un intervenant américain, Peidong Yang, et intitulé « The Emerging Discipline of Systems Materials Engineering » a été soumis à Nature Materials. Il porte, à notre avis, un message tout à fait significatif pour l’ensemble de la communauté concernée par la recherche sur les matériaux. Il fait état d’une nouvelle philosophie de recherche vers de meilleurs matériaux pour l’énergie.

Recherche (1er août 2010 – septembre 2011)

Matériaux d’électrodes pour accumulateurs à ions Li dans le cadre du développement durable

51Un des défis majeurs des vingt prochaines années est sans aucun doute le développement de nouvelles technologies pour le stockage de l’énergie afin de mieux gérer les ressources en énergie de notre planète. Beaucoup d’espoir repose aujourd’hui sur les accumulateurs à ions lithium qui envahissent le marché des portables et qui apparaissent comme étant le meilleur choix pour les véhicules électriques et, peut-être, pour les applications réseau. La réussite d’une telle conquête dépendra cependant de la capacité du chimiste à créer des matériaux d’électrodes plus performants en termes de puissance, de densité d’énergie, de sécurité et de coût, via des méthodes de synthèse obéissant au concept du développement durable. Dans ce contexte, mon groupe poursuit des recherches à moyen et long termes visant 1) au développement de procédés de synthèse éco-efficaces (synthèse hydrothermale avec l’introduction du concept de « base latente », bio-minéralisation reposant sur l’utilisation de bactéries, et synthèse ionothermale afin de préparer des matériaux déjà connus ou nouveaux ; et 2) la mise au point de nouveaux concepts visant à l’utilisation de molécules organiques, préparées selon les préceptes de la chimie verte, comme une électrode renouvelable pour accumulateurs à ions lithium. Certaines des avancées réalisées dans ces différents secteurs durant la période août 2010-septembre 2011 sont décrites ci-dessous.

Synthèse éco efficace de matériaux d’électrodes

52Les matériaux d’électrodes actuellement présents dans les batteries Li-ion sont principalement élaborés à partir de méthodes céramiques. Ces méthodes, qui utilisent des hautes températures pour assurer la diffusion des réactants nécessaires à la croissance de nouvelles phases, sont très gourmandes en énergie et conduisent de plus à des matériaux poly-disperses. Dans la recherche de synthèses éco-efficaces, nous leur avons donc préféré les méthodes basses températures, de « chimie douce », faisant principalement appel aux synthèses en solution, revisitant ainsi des procédés bien connus tels le procédé hydrothermal ou solvothermal pour la synthèse de poudres monodisperses de LiFePO4 à des températures de 250 °C seulement, voire en en développant de nouveaux, tels le procédé ionothermal ou bio-minéral, dont les avancées récentes sont décrites par la suite.

Approche ionothermale

53Bien que très largement utilisée en synthèse organique, la synthèse ionothermale n’a que faiblement conquis le domaine de la chimie inorganique puisque, à notre connaissance, son usage s’est jusqu’alors limité à la préparation de zéolite ou de matériaux hybrides à charpente organométallique. Ce désintérêt des chimistes du solide pour cette méthode de synthèse est d’autant plus surprenant que cette communauté est, depuis plusieurs années, très familière avec la synthèse dans des sels fondus. On rappellera brièvement que les liquides ioniques sont constitués principalement de l’association de cations et anions organiques qui différent des sels inorganiques, tels NaCl, par le fait qu’ils sont liquides à température ambiante. Comme l’eau, ils présentent un pouvoir solubilisant important tout en ne présentant pas de tension de vapeur et sont stables jusqu’à des températures de 300 °C, ce qui les rend attractifs comme milieu réactionnel, celui-ci ne nécessitant pas, notamment, l’utilisation d’autoclave. De plus, on soulignera la richesse de la chimie des liquides ioniques, qui ne compte pas moins de 15 000 formulations possibles dont au moins mille qui ont été fabriquées, chimie qui offre ainsi une plus grande panoplie de combinaisons que les sels fondus.

54Synthèse de phases connues à basse température. Toute nouvelle méthode de synthèse nécessite le choix judicieux de précurseurs inorganiques pouvant être compatibles avec le milieu réactionnel utilisé. Ce choix s’est bâti sur l’expérience antérieure acquise lors de la synthèse de LiFePO4 par voies céramique, hydrothermale et solvothermale, en considérant, en plus, les notions de solubilité et de stabilité thermique. Le résultat de toutes ces considérations nous a conduits à utiliser LiH2PO4 et FeC2O4.2H2O comme précurseurs. Pour ce qui est du liquide ionique, notre démarche dans toutes les tentatives de synthèse ionothermale a systématiquement reposé, sauf indication contraire, sur l’utilisation du liquide ionique commercial Bis(trifluorométhanesulfonyl)imidure de 1-éthyl-3-méthylimidazolium, plus communément connu sous le nom de EMI-TFSI. Ainsi, en accord avec la réaction ci-dessous, nous avons pu préparer des poudres de LiFePO4 nanométriques à des températures de 240 °C pour des temps de réaction de 24 heures, voire plus courts (5 heures), lors d’un chauffage assisté par micro-ondes.

LiH2PO4 + FeC2O4 · 2H2O → LiFePO4 + 3 H2O + CO + CO2

55Cette approche ionothermale (brevetée) a été appliquée avec succès pour l’obtention d’autres composés polyanioniques LiMPO4 (M=Co, Ni, Mn) ainsi que pour la préparation des fluorophosphates de métaux de transition à base de sodium de formule générale Na2Fe1-xMnxPO4F ainsi qu’à base de Li obéissant à la formule LiMPO4F (M3+=Fe3+, Ti3+). De plus, la combinaison liquide ionique hydrophobe + eau, en présence de surfactants, permet l’obtention de milieux contenant des micelles bien dispersées, jouant le rôle de nano réacteur et offrant ainsi une dimension supplémentaire, en dehors de la formulation du liquide ionique, par l’obtention de poudres de morphologie et de taille contrôlées à des températures 400 °C, voire 500 °C, plus basses que celles utilisées dans le cas des méthodes céramiques.

56Nouvelles phases. L’approche ionothermale, consistant à faire réagir dans EMI-TFSI, à 280 °C, pour des temps de réaction allant de 24 à 48 heures, des sulfates de métaux 3d (MSO4F.H2O) et Li(A)F, nous a également permis de découvrir de nouvelles phases, dont notamment les fluorosulfates de composition AMSO4F (A=Li, Na ; M=Mn, Fe, Co, Ni, Zn et Mg) adoptant une structure « tavorite ». Cette famille de composés pratiquement inconnus il y a de cela 18 mois compte aujourd’hui 18 membres. Parmi toutes les nouvelles phases synthétisées, la phase LiFeSO4F a révélé des propriétés électrochimiques attractives, avec notamment la possibilité d’insérer de façon réversible, à 3,6 V, 0,85 Li+ par unité formulaire, ceci conduisant à une capacité réversible de l’ordre de 130 mAh/g à 140 mAh/g qui est stable sur plusieurs dizaines de cycles. Grâce à de telles propriétés, LiFeSO4F se positionne comme un concurrent direct de LiFePO4.

57D’autres phases, quant à elles, présentent des conductivités ioniques attractives (environ 10–5 S/cm) laissant entrevoir la possibilité d’une utilisation comme électrolyte solide dans des batteries à ions Li entièrement solides. Cependant, le résultat le plus spectaculaire est notre possibilité récente de pouvoir stabiliser, selon des paramètres de synthèse bien définis, la forme triplite de la phase LiFeSO4F. Celle-ci présente le potentiel redox le plus haut jamais rapporté pour le couple redox Fe2+/Fe3+. L’exploitation de ce polymorphisme triplite/tavorite ouvre des opportunités immenses pour la recherche de meilleurs matériaux d’électrodes.

Approche par bio-minéralisation

58Enfin, il va de soi que toutes ces recherches sur les matériaux d’électrodes nanométriques seraient d’autant plus attractives dans le cadre du développement qu’elles pourraient se réaliser à température ambiante, ce qui nécessite de nouvelles approches. Il existe de multiples exemples illustrant la capacité de la nature à produire des minéraux tels le carbonate de calcium, la silice, les oxydes métalliques, etc. à l’échelle nanométrique via des procédés de bio-minéralisation réalisés par des micro-organismes unicellulaires, et donc mettant en jeu des systèmes catalytiques (enzymes) très efficaces. Par exemple, il est démontré depuis fort longtemps que la calcite CaCO3 peut être synthétisée à 60 °C en présence d’une bactérie (Bacillus Pasteurri) dont l’enzyme associée (uréase) provoque l’hydrolyse de l’urée, assurant ainsi la basicité du milieu nécessaire pour la précipitation de CaCO3. À la lumière de ces travaux et sur la base de nos travaux antérieurs, il est apparu que le matériau d’électrode LiFePO4 se prêtait parfaitement à ces approches dans la mesure où i) le fer et les phosphates sont à la fois des constituants géologiques et biologiques majeurs, ii) sa précipitation se fait en milieu aqueux et à un pH proche de 7 (donc idéal pour l’environnement des bactéries), et iii) que notre approche de synthèse hydrothermale via les bases latentes avait montré la possibilité d’utiliser l’urée. C’est ainsi qu’en collaboration avec F. Guyot de Paris VI nous avons démontré la possibilité de préparer du LiFePO4 très divisé en utilisant des bactéries (type Bacillus Pasteurri) comme agent promoteur de réaction.

59Nous tentons actuellement de mieux maîtriser la reproductibilité de ces méthodes de synthèse afin de les appliquer à l’élaboration d’électrodes à base de silicates mais aussi d’utiliser des virus plutôt que des bactéries, en suivant les travaux de Belcher, pour préparer des électrodes nano-architecturées et ce, grâce à la mise en place d’une collaboration forte entre le laboratoire de biologie de Compiègne dirigé par A. Friboulet et mon groupe.

Électrodes organiques renouvelables pour accumulateurs à ions Lithium

60La production attendue d’accumulateurs de type Li-ion, de plusieurs milliards de cellules par an, peut potentiellement avoir un impact sur l’environnement, au regard de la technologie actuelle, qui est en passe de jouer un rôle de première importance dans le cadre de la réduction des gaz à effet de serre via (i) l’alimentation des véhicules électriques (HEV puis EV) et (ii) le stockage des sources d’énergie électrique renouvelables intermittentes. En effet, les accumulateurs Li-ion d’aujourd’hui utilisent exclusivement des matériaux d’électrode issus de ressources d’origine géologique (non renouvelables et d’extraction énergivore) et font intervenir de multiples processus thermiques pour leur conception et leur recyclage (principalement de par l’intervention de processus pyrométallurgiques). Il en résulte un bilan carbone et énergétique plutôt défavorable (280 kWh et 80 kg de CO2 dépensés pour la production de 1 kWh de batterie) ce qui ternit, à grande échelle, les bienfaits environnementaux apportés par ces systèmes.

61Chercher à améliorer l’écobilan d’un accumulateur revient à agir de façon significative sur deux étapes stratégiques de son cycle de vie, à savoir sa fabrication et le management de sa fin de vie. Si l’on s’intéresse à la chimie du vivant, force est de constater que la plupart des mécanismes énergétiques mettent à contribution des mécanismes redox impliquant des molécules organiques. Il apparaissait donc intéressant d’utiliser des molécules organiques comme matériaux d’électrodes et de proposer ainsi une alternative végétale à l’approche minérale conduite jusqu’à maintenant. C’est ce que nous avons tenté de réaliser au LRCS dès 2006 avec un de mes jeunes collègues, P. Poizot. Partant de structures carbonylées et carboxylées stabilisées par délocalisation p, plusieurs familles organiques ont été évaluées électrochimiquement vs Li, avec une préférence pour les molécules pouvant se former facilement à partir de molécules naturelles. Ainsi, la famille des sels lithiés d’oxocarbones de type LixCnOn (4 ≤ n ≤ 6) a été étudiée, et plus particulièrement la série en C6, puisqu’en lien chimique direct avec l’acide phytique, un composé non alimentaire présent dans diverses agro-ressources. Le composé Li2C6O6 s’avéra réagir réversiblement avec quatre lithiums, donnant des capacités deux fois supérieures à celles de LiFePO4. Ainsi, sur la base du système symétrique Li4C6O6|Li+PF6-|Li4C6O6, un premier prototype d’accumulateur Li-ion « renouvelable », bien que limité en performance, a pu être réalisé.

62Profitant de la richesse de la chimie organique, nous avons pu également identifier d’autres molécules organiques ayant des fonctions carbonyle, carboxyle ou ester, pouvant réagir réversiblement avec le Li et ainsi établir une échelle de potentiels pour ces composés organiques. Parmi les derniers en lice, nous mentionnerons le lithium 4,4’-tolane-dicarboxylate qui réagit réversiblement à 0,7 V avec 2 Li, donnant ainsi des capacités voisines de celles des électrodes de carbone actuellement utilisées.

63Dans le but de comprendre les paramètres clés qui régissent l’électro-activité des carboxylates et leur potentiel rédox, plusieurs familles de carboxylates linéaires ou cycliques avec configuration « cis » et « trans » sont en cours d’investigation. L’importance liée à des problèmes de recouvrement orbitalaire (le fait d’avoir une configuration « trans » plutôt qu’une configuration « cis » pour des propriétés électrochimiques optimales) a déjà été démontrée pour les carbonates linéaires. Enfin, pour aider et guider le travail exploratoire expérimental, des calculs de type DFT sont en cours, en collaboration avec le groupe du Prof. H. Arhuna de Cornell University.

Publications (1er janvier-1er octobre 2011)

64Yang P., Tarascon J.-M., « The Emerging Discipline of Systems Materials Engineering », Nature Materials, soumis pour publication.

Bruce P.J., Freunberger S.A., Hardwick L.J. et Tarascon J.-M., « High energy storage Li-O2 and Li-S batteries », Nature Materials, sous presse.

Dunn B., Kamath H., Tarascon J.-M., « Electrical Energy Storage for the Grid: A Battery of Choices ». Science, vol. 334(6058), 2011, 928-935.

Ati M., Melot B.C., Chotard J.-N., Barpanda P, Tarascon J.-M., « Structural and electrochemical diversity in LiFe1-dZndSO4F solid solution: A Fe-based positive-electrode material ». Angewandte Chemie-International Edition, 2011, sous presse.

Reynaud M., Barpanda P., Rousse G., Chotard J.-N., Melot B.C., Recham N., Tarascon J.-M., « Synthesis and crystal chemistry of the NaMSO4F family (M = Mg, Fe, Co, Cu, Zn) ». Solid State Sciences, 2011, sous presse.

Sathiya M., Prakash A.S., Ramesha K., Tarascon J.-M., Shukla A.K., « V2O5-anchored carbon nanotubes for enhanced electrochemical energy storage », Journal of the American Chemical Society, 133(40), 2011, 16291-16299.

Demir-Cakan R., Morcrette M.F., Davoisne C., Devic T., Gonbeau D., Dominko R., Serre C., Ferey G., Tarascon J.-M. « Cathode composites for Li-S batteries via the use of oxygenated porous architectures ». Journal of the American Chemical Society, 133(40), 2011, 16154-16160.

Armand M., Tarascon J.-M., Arroyo-de Dompablo M.E. « Comparative computational investigation of N and F substituted polyoxoanionic compounds: The case of Li2FeSiO4 electrode material », Electrochemistry Communications, 13(10), 2011, 1047-1050.

Ati M., Melot B.C., Chotard J.-N., Rousse G., Reynaud M., Tarascon J.-M., « Synthesis and electrochemical properties of pure LiFeSO4F in the triplite structure », Electrochemistry Communications, 13(11), 2011, 1280-1283.

Barpanda P., Ati M., Melot B.C., Rousse G., Chotard J.-N., Doublet M.-L., Sougrati M.T., Corr S.A., Jumas J.C., Tarascon J.-M., « A 3.90 V iron-based fluorosulphate material for lithium-ion batteries crystallizing in the triplite structure », Nature Materials, 10(10), 2011, 772-779.

Senguttuvan P., Rousse G., Seznec V., Tarascon J.-M., Palacin M.R., « Na2Ti3O7: Lowest voltage ever reported oxide insertion electrode for sodium ion batteries », Chemistry of Materials, 23(18), 2011, 4109-4111.

Hamani D., Ati M., Tarascon J.-M., Rozier P., « NaxVO2 as possible electrode for Na-ion batteries ». Electrochemistry Communications, 13(9), 2011, 938-941.

Simon P., Knauth P., Tirado J.L., Pocharski J., Wieczorek W., Barnabe A., Tarascon J.-M., Masquelier C., « Give energy to your study: Students worldwide gather in Europe to design future materials for energy storage and conversion », Journal of Chemical Education, 88(9), 2011, 1203-1206.

Melot B.C., Chotard J.-N., Rousse G., Ati M., Reynaud M., Tarascon J.-M., « Synthesis, structure, and magnetic properties of the NaCoXO4F.2H2O phases where X = S and Se », Inorganic Chemistry, 50(16), 2011, 7662-7668.

Chen Y.H., Tarascon J.-M., Guéry C., « Electrochemically assisted growth of LiFePO4 in ionic liquid media », Electrochemistry Communications, 13(7), 2011, 673-676.

Melot B.C., Rousse G., Chotard J.-N., Ati M., Rodriguez-Carvajal J., Kemei M.C., Tarascon J.-M., « Magnetic structure and properties of the Li-ion battery materials FeSO4F and LiFeSO4F », Chemistry of Materials, 23(11), 2011, 2922-2930.

Syzdek J.S., Armand M.B., Falkowski P., Gizowska M., Karlowicz M., Lukaszuk L., Marcinek M.-L., Zalewska A., Szafran M., Masquelier C., Tarascon J.-M., Wieczorek W.G., Zukowska Z.G., « Reversed phase composite polymeric electrolytes based on Poly (oxyethylene) », Chemistry of Materials, 23(7), 2011, 1785-1797.

Aboulaich A., Bouchet R., Delaizir G., Seznec V., Torter L., Morcrette M., Rozier P., Tarascon J.-M., Viallet V., Dollé M., « A new approach to develop safe all-inorganic monolithic Li-ion batteries », Advanced Energy Materials, 1(2), 2011, 179-183.

Dominko R., Demir-Cakan R., Morcrette M., Tarascon J.-M., « Analytical detection of soluble polysulphides in a modified Swagelok cell », Electrochemistry Communications, 13(2), 2011, 117-120.

Key B., Morcrette M., Tarascon J.-M., Grey C.P., « Pair distribution function analysis and solid state NMR studies of silicon electrodes for Lithium ion batteries: Understanding the (de)lithiation mechanisms », Journal of the American Chemical Society, 133(3), 2011, 503-512.

Hamelet S., Casas-Cabanas M., Dupont L., Davoisne C., Tarascon J.-M., Masquelier C., « Existence of superstructures due to large amounts of Fe vacancies in LiFePO4-type framework », Chemistry of Materials, 23(1), 2011, 32-38.

Peng Z.Q., Freunberger S.A., Hardwick L.J., Chen Y.H., Giordani V., Garde F., Novak P., Graham D., Tarascon J.-M., Bruce P.G., « Oxygen reactions in a non-aqueous Li(+) electrolyte », Angewandte Chemie-International Edition, 50(28), 2011, 6351-6355.

Delacourt C., Ati M., Tarascon J.-M., « Measurement of lithium diffusion coefficient in LiyFeSO4F », Journal of the Electrochemical Society, 158(6), 2011, A741-749.

Bridel J.S., Azais T., Morcrette M., Tarascon J.-M., Larcher D., « In situ observation and long term reactivity of Si/C/CMC composites electrodes for Li-ion batteries », Journal of the Electrochemical Society, 158(6), 2011, A750-759.

Barpanda P., Chotard J.-N., Delacourt C., Reynaud M., Filinchuk Y., Armand M., Deschamps M., Tarascon J.-M., « LiZnSO4F made in an ionic liquid: A ceramic electrolyte composite for solid-state lithium batteries », Angewandte Chemie- International Edition, 50(11), 2011, 2526-2531.

Walker W., Grugeon S., Vezin H., Laruelle S., Armand M., Wudl F., Tarascon J.-M., « Electrochemical characterization of lithium 4,4’-tolane-dicarboxylate for use as a negative electrode in Li-ion batteries », Journal of Materials Chemistry, 21(5), 2011, 1615-1620.

Barpanda P., Djellab K., Recham N., Armand M., Tarascon J.-M., « Direct and modified ionothermal synthesis of LiMnPO4 with tunable morphology for rechargeable Li-ion batteries », Journal of Materials Chemistry, 21(27), 2011, 10143-10152.

Frayret C., Villesuzanne A., Spaldin N., Bousquet E., Chotard J.-N., Recham N., Tarascon J.-M., « LiMSO4F (M = Fe, Co and Ni): Promising new positive electrode materials through the DFT microscope », Physical Chemistry Chemical Physics, 12(47), 2010, 15512-15522.

Lecoeur C., Tarascon J.-M., Guéry C., « Al current collectors for Li-ion batteries made via an oxidation process in ionic liquids », Electrochemical and Solid-State Letters, 14(1), 2011, A6-A9.

Nguyen T.L., Devic T., Mialane P., Riviere E., Sonnauer A., Stock N., Demir-Cakan R., Morcrette M., Livage C., Marrot J., Tarascon J.-M., Ferey G., « Reinvestigation of the M(II) (M = Ni, Co)/ Tetra Thiafulvalene Tetra Carboxylate system using high-throughput methods: Isolation of a molecular complex and its single-crystal-to-single-crystal transformation to a two-dimensional coordination polymer », Inorganic Chemistry, 49(22), 2010, 10710-10717.

Shaijumon M.M., Perre E., Daffos B., Taberna P.L., Tarascon J.-M., Simon P., « Nanoarchitectured 3D cathodes for Li-ion microbatteries », Advanced Materials, 22 (44), 2010, 4978-4981.

Walker W., Grugeon S., Vezin H., Laruelle S., Armand M., Tarascon J.-M., Wudl F., « The effect of length and cis/trans relationship of conjugated pathway on secondary battery performance in organolithium electrodes », Electrochemistry Communications, 12(10), 2010, 1348-1351.

Shanmukaraj D., Grugeon S., Laruelle S., Douglade G., Tarascon J.-M., Armand M., « Sacrificial salts: Compensating the initial charge irreversibility in lithium batteries », Electrochemistry Communications, 12(10), 2010, 1344-1347.

Fateeva A., Horcajada P., Devic T., Serre C., Marrot J., Grenèche J.-M., Morcrette M., Tarascon J.-M., Maurin G., Ferey G., « Synthesis, structure, characterization, and redox properties of the porous MIL-68(Fe) solid », European Journal of Inorganic Chemistry, 24, 2010, 3789-3794.

Daval D., Testemale D., Recham N., Tarascon J.-M., Siebert J., Martinez I., Guyot F., « Fayalite (Fe2SiO4) dissolution kinetics determined by X-ray absorption spectroscopy », Chemical Geology, 275(3-4), 2010, 161-175.

Nguyen T.L.A., Demir-Cakan R., Devic T., Morcrette M., Ahnfeldt T., Auban-Senzier P., Stock N., Goncalves A.M., Filinchuk Y., Tarascon J.-M., Ferey G., « 3-D coordination polymers based on the Tetrathiafulvalenetetracarboxylate (TTF-TC) derivatives: Synthesis, characterization, and oxidation issues »,Inorganic Chemistry, 49(15), 2010, 7135-7143.

Barpanda P., Chotard J.-N., Recham N., Delacourt C., Ati M., Dupont L., Armand M., Tarascon J.-M., « Structural, transport, and electrochemical investigation of novel AMSO4F (A = Na, Li; M = Fe, Co, Ni, Mn) metal fluorosulphates prepared using low temperature synthesis routes », Inorganic Chemistry, 49 (16), 2010, 7401-7413.

Brevets

65« Nouveau matériau fluoré utilisable comme matière active d’électrode », N° FR1151864 - 08/03/2011. Inventeurs : Tarascon Jean-Marie, Barpanda Prabeer, Ati Mohamed, Chotard Jean-Noël et Armand Michel.

« Matière active d’électrode pour une batterie aux ions sodium », N° FR1156007 - 04/04/2011. Inventeurs : Tarascon Jean-Marie, Senguttuvan Premkumar et Palacin Rosa.

« Procédé de préparation de fluorosulfates de métal alcalin et de métal de transition », N° PCT/FR2011/051051 - 17/05/2011. Inventeurs : Tarascon Jean-Marie, Armand Michel, Recham Nadir et Ati Mohamed.

Conférences invitées

66« Nouveaux matériaux d’électrodes pour batteries à ions Lithium obtenus par synthèse ionothermale », colloque sur le stockage et la conversion de l’énergie, Nantes, 18-22 octobre 2010.

« L’ère de la “nanomania” pour les batteries à ions lithium », Nanomatériaux pour les batteries Lithium et les supercondensateurs – MINATEC, Grenoble, 25 novembre 2010.

« Structure and magnetism in the polyanion-type compounds used for Li-ion batteries », Symposium on X-rays and neutrons in energy-related materials science, ILL, Grenoble, 7-9 février 2011.

« Key challenges in Lithium-ion battery research », The 82nd Alliance Board Meeting, Yokoama, Japon, 1er juillet 2011).

« Li-ion technology: the challenge of the years to come », 2nd International eCarTec, Paris, 30-31 mars 2011.

« Li-based polyanionic frameworks and their versatile use in Li-ion batteries », IBA Conference, Cape Town, Afrique du Sud, 12-15 avril 2011.

« F-based polyanionic frameworks and their use in Li-ion batteries », SSi, 18th International Conference, Varsovie, Pologne, 3-5 juillet 2011.

« Key challenges and new trends in battery research », US DOE EFRC Summit and Forum, Washington DC, États-Unis, 25-27 mars 2011.

« Materials and synthesis approaches for developing sustainable Li-ion batteries », IUPAC Biennial World Chemistry Congress, San Juan, Porto Rico, 30 juillet-7 août 2011.

« Energy: Stakes and challenges of electrochemical storage within the context of sustainability », Central Leather Research Institute, Council of Scientific and Industrial Research of Chumnei, Inde, 11 août 2011.

« From Volta to Lithium and Beyond », 2011th Faraday Lecture winner at CERCI, Karaikudi, Inde, 10 août 2011.

« From Volta to Lithium and Beyond », Isaac Newton Lecture, Bangalore, Inde, 22 août 2011.

« Stakes and challenges for electrochemical energy storage in energy sustainability », Centenary Visiting Professorship at the Indian Institute of Science, Bangalore, Inde, 25 août 2011.

« Materials and synthesis approaches for developing sustainable Li-ion batteries for energy storage », 62nd Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, ISE, Niigata, Japon, 11-16 septembre 2011.

« Chimie et Stockage de l’énergie », Congrès SFP-SCF, Paris, 5 octobre 2011.

« Conversion et Stockage électrochimique des énergies renouvelables : un problème de chimie », UPMC, Paris, 15 et 16 septembre 2011.

« From Volta to Lithium and Beyond », Journées scientifiques de l’énergie CRT Rhodia, Lyon, 11 et 12 octobre 2011.

« Energy: Stakes and challenges of its electrochemical storage in a sustainable way », ENS Lyon, 20 et 21 octobre 2011.

Prix reçus

67Prix SUE 2011 de la société française de chimie et ENI AWARD 2011.

Autres activités

68Professeur invité à l’institut des sciences de Bangalore : 20 heures de cours donnés dans le cadre de la mise en place de ‘ECS INDIAN Section.

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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 111e année, Collège de France, Paris, avril 2012, p. 769-792. ISBN 978-2-7226-0156-7

Référence électronique

Jean-Marie Tarascon, « Développement durable : environnement, énergie et société », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 111 | 2012, mis en ligne le 22 novembre 2013, consulté le 26 avril 2017. URL : http://annuaire-cdf.revues.org/1629

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Auteur

Jean-Marie Tarascon

Professeur associé au Collège de France pour l’année académique 2010-2011

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Droits d’auteur

Collège de France

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