LPPI

Piles, batteries et Isolant électrique

Une partie de ces matériaux fonctionnels, conducteurs ioniques et/ou électroniques, hybrides ou tout organique, sont, pour certains d’entre eux, conçus et élaborés pour répondre à certaines contraintes imposées dans les applications concernant la conversion et le stockage de l’énergie.

Les performances de ces matériaux ont donc été évaluées comme membranes pour piles à combustibles ou pour batteries métal-air, comme matériaux isolants électriques.

Des tests en dispositifs permettent d’apprécier leur intérêt par rapport aux matériaux existants, mais aussi leurs limitations à l’issue desquelles l’élaboration est revue et optimisée.

 

Contact: Odile Fichet, Linda Chikh, Philippe Banet, Cédric Vancaeyzeele, Giao Nguyen, Sophie Cantin-Rivière, Alae El Haitami 

Membranes pour piles à combustibles

 

En se basant sur la morphologie du Nafion®, membrane de référence pour les piles à combustible, de nouveaux RIP associant un réseau de polymère fluoré à un réseau polyélectrolyte conducteur protonique ont été développés. Le réseau polymère fluoré limite la déformation de la membrane lors de son fonctionnement et assure sa tenue mécanique, alors que, parallèlement, le réseau polyanion PAMPS permet la conduction protonique à travers la membrane. Ces matériaux présentent, selon leur composition, un taux de gonflement dans l’eau de 22 à 59 % en masse et une conduction protonique de 1 à 63 mS/cm. De plus, ils sont 10 fois moins perméables à l’oxygène et l’hydrogène que le Nafion®. Toutefois, les performances des RIP comme membrane pour pile à combustible restent encore légèrement inférieures à celles du Nafion®.

Membranes pour batteries Métal-Air

 

Les RIPs peuvent protéger des électrodes à air de la carbonatation dans une batterie métal-air. En effet, le CO2 de l’air provoque, en milieu basique, la formation de carbonates qui précipitent dans la porosité de l’électrode et diminuent les performances électrochimiques de la batterie.Lorsque des membranes RIPs, associant un polycation (PECH) et un polymère neutre, sont positionnées sur l’électrode à air, coté électrolyte, elles assurent le passage des ions hydroxyle de la solution jusqu’à l’électrode à air, et bloquent par répulsion électrostatique l’arrivée des cations alcalins responsables de la formation des précipités (principe schématisé ci-dessous).

Principe de protection d’une électrode à air par une membrane RIP (batterie métal-air).

Dans le cas spécifique de la batterie Li-air, l’électrode à air, non protégée, ne fonctionne que 60 h dans LiOH 5M en cyclage lorsqu’elle est alimentée par de l’air non traité. Au-delà de cette durée, la polarisation de l’électrode augmente considérablement provoquant la diminution des performances de la batterie. La même électrode modifiée par un RIP poly(hydroxyéthyl méthacrylate) / PECH reste stable plus de 650 h dans les mêmes conditions. Cette stabilité est même doublée (1550 h) si le partenaire du réseau PECH dans le RIP est fluoré.

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