La bonne conductivité ionique au sein de la membrane, à l’interface électrolyte/électrodes et au sein des électrodes, est capitale pour avoir des batteries ou piles à combustible performantes.
Un rappel très pédagogique sur les conducteurs ioniques est donné en introduction.
Le principe des membranes échangeuses d’ions et des piles à combustible est précisé avec soin.
Les structures des céramiques conductrices sont ensuite abordées en détail avec les défauts de Frenkel et de Schottky nécessaires pour augmenter la conductivité dans les électrolytes solides.
Des exemples de conductivité sont abordées ; par exemple la conduction avec les ions O2- dans ZrO2 ou dans Bi2O3, avec les ions yttrium, Y3+ dans les zircones dopées à l’yttrium. L’influence de la polarisabilité sur la conductivité est mise en évidence ; ainsi les structures ioniques à base de Lithium parmi les sulfures sont de très bons conducteurs.
La conduction due à des ions lithium, Li+, est analysée avec les perovskites, de formule LaTiO3, dopé avec Li+ ou des ions Na+ dans la β alumine qui est actuellement la référence.
Ces études sont à la base de la mise au point de la dernière génération des batteries lithium-ion, dites « tout solide».
En conclusion les techniques industrielles sont évoquées avec la fabrication type plasma par exemple chez Toyota.
Source : Cours du Collège de France du 17 février 2014
Un des objectifs dans l’amélioration d’une batterie est d’en augmenter sa capacité spécifique massique exprimée en Ah/kg et sa densité d’énergie massique exprimée en Wh/kg. Les deux facteurs augmentent si le matériau est léger. Le lithium étant le plus léger des métaux est donc un élément de choix sur ce critère.
Les densités d’énergie massique et volumique croissent avec la différence du potentiel entre les deux électrodes ou avec le nombre d’électrons échangés ou avec les deux à la fois.
L’exposé détaille comment influencer ces facteurs en jouant sur les composés et la structure des matériaux qui constituent les électrodes, dans le cas de la batterie lithium-ion. Il s’agit tout particulièrement de faire des substitutions de cations ou d’anions.
De base une batterie Li-ion est constituée d’une électrode en carbone et d’une autre en oxyde de cobalt lithié. L’ion lithium est un constituant d’insertion dans les deux électrodes. Le principe de la migration des ions lithium, Li+, est rappelé.
Les matériaux d’insertion dans les électrodes sont présentés sur l’exemple des alcalins avec la théorie des bandes. Une démarche inductive est présentée à propos de l’influence de l’ionicité de la liaison sur le potentiel
Des exemples de réalisation de substitutions partielles des cations lithium sont exposés ; d’abord par le molybdène (sous forme de sulfure de molybdène) mais la formation de dendrite peut entrainer des explosions…, puis par le cobalt conduisant à des composés de formule Li1-xC xO2 et donnant des structures en feuillets ou par des mélanges nickel, cobalt, manganèse (Ni2+, Co3+, Mn4+), ou encore par l’introduction de ruthénium (Ru) ou d’étain (Sn).
Des composés polyanioniques sont utilisés tels que des composés de phosphate et de fluorophosphate de cobalt.
L’exemple de matériaux 3D de type spinelles jouant le rôle de tunnel à ions Li+ , comme par exemple Mn2-yAlyO4-zFz utilisé par Renault-Nissan, est évoqué.
Des substitutions d’anions sont aussi utilisées pour augmenter le potentiel et la puissance.
Ces substituions d’anions ou de cations s’appuient sur des études de DFT (Density Functional Theory) qui permettent de calculer les potentiels des électrodes réalisées.
Source : Cours du Collège de France du 10 février 2014
Un rappel sur l’énergie sous toutes ses formes introduit le problème. Le bilan de la faible efficacité énergétique d’une lampe à incandescence est traité et permet de prendre conscience des pertes liées à la conversion et la distribution de l’énergie.
Les avancées dans le captage de l’énergie solaire par les technologies photovoltaïque et thermique sont expliquées.
Les conversions entre énergie éolienne et énergie photoélectrique sont comparées. Les différents types de stockage de l’énergie électrique sont étudiés tels que les stockages hydraulique et mécanique (batterie mécanique) et une étude particulière sur le stockage électrochimique est développée sur l’exemple des batteries Pb, Ni/Cd, Li/ions. On y découvre les types d’électrodes, d’électrolytes, et les membranes polymériques utilisées. Une conclusion met l’accent sur les matériaux du futur : matériaux organiques, recyclage, nanomatériaux, matériaux bifonctionnels (redox et optique par exemple).
Source : Cours du Collège de France du 3 février 2014
Pour renforcer le réseau électrique de la région PACA, il a fallu créer, sur 107 km de long, 3 liaisons souterraines de 225.000 volts chacune. Pour cela, il faut enfouir sous terre des câbles de cuivre donc chacun fait 100 m de long afin de réduire le nombre de jonctions.
Cette vidéo montre comment on passe du fil de cuivre à des bobines de 40 tonnes de câble, capables de résister 30 à 40 ans. C'est un bel exemple de l’innovation dans le domaine du génie des procédés, qui montre comment chimie, mécanique, métallurgie, contrôles microscopique et tests électriques doivent être conjointement utilisés pour réussir de tels exploits. Beaucoup de métiers interviennent dans ce parcours.
Source : Clins d'oeil de la Fondation Internationale de la Maison de la Chimie
Cette vidéo nous conduit au cœur de la Silicon Valley française, au sein de l’usine la plus récente de STMicroelectronics, premier fabricant européen de semiconducteurs.
La fabrication des microcomposants est présentée dans la salle blanche : comment à partir de plaques de silicium vierges, en six à huit semaines, avec 200 étapes de fabrication, on passe à des plaquettes qui contiennent chacune des milliers de puces, tout cela dans la plus grande propreté (entre cent et mille fois plus propre qu’une salle d'opération !).
Le fonctionnement du transistor à l'échelle microscopique est expliqué très simplement ainsi que le passage du transistor au circuit et au boitier.
Les principales avancées en matériaux, donc en chimie, portent sur l'élaboration de substrats à base d’isolants, sur silicium. Leurs avantages sont présentés ainsi que les nouvelles applications qui préfigurent ce que pourrait être l’internet de demain.
Source : Clins d'oeil de la Fondation Internationale de la Maison de la Chimie
Cette vidéo nous permet de voir une expérience difficile à réaliser dans un lycée compte tenu du matériel nécessaire à sa réalisation.
Il s’agit de réaliser la réduction de l’oxyde de cuivre II, CuO, noir, sous un courant gazeux d’hydrogène. Cela doit conduite à la formation de cuivre et d’eau.
Cette réaction, mettant en jeu du dihydrogène, nécessite de respecter des conditions de sécurité qui sont mises en œuvre et expliquées dans le détail.
La conductivité électrique du cuivre obtenu est testée.
Cette vidéo en anglais permet de bien visualiser l’appareillage et le mode opératoire pour mener à bien l’analyse d’un échantillon par spectrophotométrie UV ou visible.
La transition électronique par absorption dans le visible ou l’ultraviolet est brièvement rappelée.
L’appareil est « ouvert » et le montage optique à double faisceau est expliqué. Le choix de cuve en quartz pour la spectroscopie UV est rappelé.
Une analyse est réalisée avec un échantillon de colorant alimentaire vert. Le spectre obtenu donnant l’absorbance en fonction de la longueur d’onde est présenté et commenté.
En cliquant sur l’icône relatif aux « sous-titres » en bas à droite de l’écran, on peut visualiser le texte de l’exposé au fur et à mesure de l’avancement de la vidéo.
Cette vidéo en anglais permet de bien visualiser l’appareillage et le mode opératoire pour réaliser l’analyse d’un échantillon par spectrophotométrie infrarouge (IR).
La vibration longitudinale des liaisons et la fréquence de vibration sont fonctions de la masse des atomes. Le lien avec une absorption quantifiée dans le domaine de l’IR est rappelé pour expliquer que cette méthode permet de repérer la présence de groupe fonctionnel dans une molécule organique.
L’appareil est « ouvert » et le montage optique est expliqué.
Le cas de l’étude d un échantillon solide déposé sur un cristal de germanium est schématisé.
Un exemple d’analyse est réalisé sur un échantillon d’acide benzoïque solide. Le spectre, obtenu après calcul par transformée de Fourier, donne la transmittance, T, exprimée en pourcentage en fonction du nombre d’onde exprimé en cm-1. Ce spectre est commenté. Les liaisons O-H et C=O sont repérées. Puis un échantillon liquide est analysé.
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Cette vidéo en anglais, très didactique, permet de bien visualiser l’appareillage et la réalisation d’une analyse par spectrométrie de masse.
Le principe réside dans la séparation de molécules portées à l’état gazeux et ionisé, en fonction de leur rapport masse/charge (m/z).
Une première présentation globale de l’appareil permet de localiser les zones où existent le champ magnétique d’une part et le champ électrique d‘autre part, l’ioniseur et le détecteur.
Un exemple d’analyse est réalisé sur un échantillon de limonène puis le spectre de masse est étudié et commenté.
Un schéma de principe explique l’importance du réglage du champ magnétique pour avoir la bonne déviation de l’ion.
Un couplage, classique en analyse, d’un appareil de chromatographie en phase gazeuse et d’un spectromètre de masse est présenté.
Cette vidéo en anglais, très didactique, permet de bien visualiser l’appareillage et la réalisation d’une chromatographie en phase gazeuse.
On peut voir l’intérieur de l’appareil munis de colonnes longues de 1 m à 50 m, enroulées sur elles-mêmes.
L’obtention d’un chromatogramme est présentée et commentée sur l’exemple de la séparation d’un mélange de méthanol et de toluène (méthylbenzène). Deux exemples de détection sont montrés : la détection par ionisation de flamme et par spectrométrie de masse (SM). Cette méthode de chromatographie est très utilisée à des fins d’analyse.
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