Paris, 5 mars 2012

Comment les supercondensateurs stockent-ils l'énergie ?
Les supercondensateurs sont des systèmes de stockage de l'énergie électrique complémentaires aux batteries. Grâce à leur capacité à se charger et se décharger rapidement, ils peuvent fournir des pics de puissance intéressants dans de nombreuses applications dans l'aéronautique et l'automobile. Resté incompris jusqu'à présent, le mécanisme de stockage d'énergie des supercondensateurs a été élucidé à l'échelle moléculaire par l'équipe de Mathieu Salanne, chercheur au laboratoire Physicochimie des électrolytes, colloïdes et sciences analytiques (UPMC/CNRS/ESPCI), en collaboration avec le Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (CNRS/université Paul Sabatier Toulouse III/INP Toulouse). Pour la première fois, une image quantitative de ce processus a été fournie grâce à des simulations numériques. Publiés en ligne le 4 mars dans la revue Nature Materials, ces travaux vont permettre d'envisager la conception de supercondensateurs aux capacités accrues.
Très performants en puissance, les supercondensateurs sont actuellement utilisés pour la récupération de l'énergie de freinage dans certaines voitures, ou encore pour assurer l'ouverture d'urgence de l'avion A380. Ils fonctionnent grâce à deux électrodes en carbone, l'une chargée positivement et l'autre négativement, plongées dans une solution ionique. C'est l'adsorption d'ions à la surface des électrodes qui permet de stocker l'électricité.

Pour comprendre le mécanisme au niveau moléculaire, les chercheurs ont procédé par simulation numérique. Deux types d'électrodes de géométries différentes ont été modélisés au plus proche de la réalité : des électrodes planes en graphite et d'autres en carbone nanoporeux, ces dernières étant capables de stocker davantage d'énergie. La taille et la complexité des systèmes simulés ont nécessité l'emploi de supercalculateurs. Ces simulations ont permis d'observer que, sur une surface plane comme le graphite, la solution ionique s'organise en couches. Lors de la charge du condensateur, ces couches se polarisent par un déplacement relatif des ions de charges opposées. À cause des interactions entre les ions, la polarisation des couches successives conduit à un phénomène de « sur-écrantage » qui réduit l'efficacité du stockage de charge. Dans les nanopores de carbone en revanche, le liquide ne peut s'organiser en couches, ce qui évite les effets de « sur-écrantage ». La charge stockée dans l'électrode est, dans ce cas, compensée par un échange d'ions avec la solution. La structure en 3D des nanopores permet donc une meilleure capacité de stockage d'énergie. La connaissance du mécanisme de charge au niveau moléculaire va permettre d'améliorer la conception des supercondensateurs.

Reste à optimiser la structure des électrodes en carbone nanoporeux, afin d'espérer fournir de plus grandes performances de stockage d'énergie. Ces résultats, obtenus dans le cadre du projet ANR MAICANANO (Modélisation de l'adsorption des ions dans les carbones nanoporeux), sont le fruit d'une collaboration entre les chercheurs du laboratoire Physicochimie des électrolytes, colloïdes et sciences analytiques et des équipes du Centre interuniversitaire de recherche et d'ingénierie des matériaux (CNRS/université Paul Sabatier Toulouse III/INP Toulouse), et des universités d'Oxford et Drexel à Philadelphie.

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La chimie : science des transformations

La chimie, science des transformations, a permis la synthèse de nombreux produits qui ont profondément modifié notre vie quotidienne. Ces synthèses nécessitent une compréhension fine de la réaction chimique, acquise au cours des deux derniers siècles. Les chimistes du 19è siècle, qui ne pouvaient "voir" les atomes, ont pu cependant déterminer les structures par analyse chimique. Cet exploit équivaut à celui d'un aveugle qui, connaissant seulement les quantités de matériaux utilisées, reconstitue exactement les châteaux de la Loire ! Un grand thème du 20è siècle a été les mécanismes, qui précisent comment les structures se transforment au cours d'une réaction. Comme les intermédiaires ne peuvent être isolés et étudiés, élucider un mécanisme revient à regarder les premières et dernières scènes d'une pièce de théâtre et à deviner ce qui se passe entre les deux. Et on y arrive ! Le 21è siècle verra sans doute une chimie des systèmes complexes, ayant des caractéristiques proches du vivant.

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Chimie et art

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C'est Gaston Bachelard qui, après Pasteur, attira l'attention sur les transactions et les créations matérielles dans la science et la chimie. Il rappelle que ce domaine dépasse, par sa richesse, la mémoire et l'imagination de tout homme. En réalité depuis qu'ils fabriquent des pierres taillées et des épieux appointés, depuis qu'ils utilisent le feu, depuis qu'ils tannent des peaux, qu'ils enduisent de couleurs leurs corps ou les parois des cavernes les Hommes sont plongés dans le monde de la chimie par l'intermédiaire de tous ces matériaux qu'ils expérimentent concrètement mais dont ils ne connaissent absolument pas la théorie.

Les métallurgistes, les verriers, les fabricants de couleurs ont sans doute compris quelques processus de la transformation des matériaux mais il semble que leur savoir soit resté empirique. Nous avons à faire à un énorme matériel, d'énormes vestiges que les Hommes ont produits d'une manière synthétique, ingénieuse, mais ils n'en savaient pas la théorie. Ils avaient un sentiment d'empirisme, ils réussissaient, et parfois d'une manière géniale, ces objets que l'on retrouve dans les tombes et les habitats. Tous ces objets, nous en avons la charge, des témoins, des références qu'il faut comprendre et essayer de conserver.

Tout a commencé lorsque Roentgen, il y a environ un siècle, a inventé les rayons X. En inventant les rayons X, il inventait l'invisible, il permettait de voir quantités de choses que nous ne pouvions percevoir avec nos yeux. Cet invisible va être source de quantité de travaux que ce soit en médecine, en physique et dans le monde du patrimoine. Une science, la science des matériaux, l'art dans le sens de ce qu'a fabriqué l'Homme, y a trouvé un outils précieux.

La chimie quantique.

En évoquant d'abord les différentes périodes qui ont marqué le développement de cette discipline théorique, située à la charnière de la Physique et de la Chimie, on essayera de faire comprendre quels sont ses objets, et la spécificité de sa pratique. De fait, la Chimie Quantique a fourni à la fois des concepts cruciaux pour l'intelligibilité de phénomènes à l'échelle moléculaire, aidant même parfois les chimistes dans leur invention d'édifices nouveaux, et des outils de prédiction quantitative fiables des énergies et des structures de ces édifices. On essayera de montrer les défis qu'elle affronte aujourd'hui dans sa recherche de puissance (l'efficience simulatrice tuera-t-elle la théorie ?), sa synergie possible avec la Physique dans l'étude des matériaux, sa participation au design d'architectures moléculaires à propriétés électroniques remarquables, le développement des aspects temporels. On ne se privera pas de formuler quelques remarques d'ordres épistémologique, esthétique et sociologique.

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