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Trois chercheurs de l’UPMC lauréats du prix La Recherche mention physique

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Trois chercheurs de l’UPMC lauréats du prix La Recherche mention physique

Trois chercheurs du laboratoire Physicochimie des Electrolytes, Colloïdes et Sciences Analytiques (PECSA - CNRS/UPMC/ESPCI ParisTech), Mathieu Salanne, Benjamin Rotenberg et Céline Merlet, ont reçu mardi 22 octobre 2013, le prix La Recherche mention physique, pour leur travail sur la modélisation des mécanismes de fonctionnement de supercondensateurs.

 

Qu’est-ce que la modélisation des mécanismes de fonctionnement de supercondensateurs ?

Benjamin Rotenberg : les supercondensateurs ou supercapacités sont des dispositifs de stockage de l'énergie électrique. Leurs performances intermédiaires entre les batteries et les condensateurs leur ont déjà permis de trouver leur place dans des applications de niche où l'on a besoin de pouvoir fournir ou récupérer rapidement l'électricité (récupération de l'énergie de freinage par exemple).

 

Mathieu Salanne : leur principe général de fonctionnement est connu depuis longtemps. Ils sont composés de deux électrodes et d'un électrolyte. Lors de la charge, les ions de l'électrolyte vont s'adsorber à la surface des électrodes (les cations d'un côté, les anions de l'autre).

Pour améliorer leur capacité de stockage, il fallait donc simplement augmenter leur surface. Mais en 2006, l’équipe de Patrice Simon (université Paul Sabatier à Toulouse) a montré que dans les carbones nanoporeux, c'est-à-dire de porosité inférieure au nanomètre, la capacité de stockage est exacerbée de manière inexpliquée par un simple effet de surface. Ce sont donc ces nouveaux mécanismes que nous avons essayé d'élucider, à l'aide de simulations moléculaires.

 

Céline Merlet : la modélisation moléculaire permet en particulier de simuler un supercondensateur modèle complet constitué de deux électrodes et d’un électrolyte. Il s’agit ensuite d’appliquer une différence de potentiel entre les deux électrodes, comme cela est réalisé dans les études expérimentales, pour caractériser en particulier la quantité d’énergie stockée et les mécanismes (réorganisation des ions de l’électrolyte) survenant au cours de la charge.

Depuis quand travaillez-vous sur ce sujet et quel a été votre rôle à chacun ?

MS. Nous avons commencé à effectuer des modélisations de liquides ioniques pour l'électrochimie en 2007, en collaboration avec Paul Madden de l'université d'Oxford. Le projet sur les supercondensateurs a commencé en 2010, à travers une ANR portée par Patrice Simon et dans laquelle l'IFP participe également.

 

BR. Il est apparu que nous avions au laboratoire les compétences et outils nécessaires pour répondre aux questions soulevées par les résultats expérimentaux : Mathieu Salanne avait une bonne expérience de la modélisation des systèmes ioniques aux interfaces avec des électrodes métalliques, tandis que je travaillais depuis longtemps sur la simulation des fluides confinés dans des matériaux nanoporeux. La problématique des supercondensateurs se trouve justement à la croisée de ces deux mondes. Le projet ANR (MAICANANO), financé en 2010, a permis de mettre en place une interaction soutenue avec les expérimentateurs du centre inter-universitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (CIRIMAT). Les discussions avec eux, notamment au début du projet, nous ont permis de nous familiariser rapidement avec les enjeux et de cibler les questions pertinentes.

 

CM. J’ai commence à travailler sur la modélisation moléculaire des supercondensateurs au début de ma thèse il y a trois ans. Notre travail a d’abord consisté à revoir ce qui était fait dans la littérature scientifique et à cerner les systèmes que nous souhaitions étudier. Je me suis ensuite principalement consacrée à la partie technique/pratique, c’est-à-dire employer les programmes disponibles au laboratoire pour mettre en place de nouvelles simulations et également écrire des programmes d’analyse supplémentaires pour exploiter les données obtenues. Le choix des systèmes étudiés et des analyses à effectuer étaient toujours discutés au cours de réunions.

En quoi cette découverte fait-elle avancer la recherche et comment peut-elle s’appliquer concrètement ?

BR. Cette découverte a permis de montrer en quoi le stockage de charge dans les carbones nanoporeux diffère de ce qui se passe près d'une électrode plane en graphite ou lorsque les pores sont beaucoup plus grands que la taille des ions de l'électrolyte.

 

CM. Nos simulations moléculaires ont permis de mettre en évidence le mécanisme moléculaire impliqué et apporte donc des réponses aux expérimentateurs. Concrètement, la visualisation du système à l’échelle moléculaire va permettre de concevoir de nouveaux matériaux d’électrode en vue d’optimiser le stockage de l’énergie.

 

MS. Les supercondensateurs sont aujourd'hui utilisés principalement lorsqu'on a besoin de puissances élevées, en complément des batteries (au démarrage de voitures hybrides par exemple). En permettant une utilisation prolongée, les supercondensateurs à base de carbones nanoporeux pourront certainement être utilisés dans de nombreuses autres applications. Reste à réduire leur coût pour les rendre vraiment compétitifs.  

 

 

Le prix La Recherche mention physique récompense également Patrice Simon et Pierre-Louis Tabema de l’université Paul Sabatier à Toulouse.

 

 

Mathieu Salanne est maître de conférences en physicochimie à l’UPMC. Il est spécialiste de la simulation des liquides ioniques et membre du réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E).

 

Benjamin Rotenberg est chargé de recherches au CNRS. Ce spécialiste de la simulation des fluides confinés dans des matériaux nanoporeux a récemment obtenu le Prix Jeune Chercheur de la division de chimie physique (commune à la SCF et la SFP), ainsi que le grand Prix de l'académie des Sciences - Prix Michel Gouilloud Schlumberger.

 

Céline Merlet est docteur de l’UPMC. Elle est actuellement post-doctorante à l'université de Cambridge où elle travaille sur la modélisation des supercondensateurs à d'autres échelles spatiales et temporelles en collaboration avec les professeurs Clare Grey et Daan Frenkel.

 

De g. à d.: Benjamin Rotenberg, Mathieu Salanne et Céline Merlet. © UPMC - DR.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



22/10/13