Les grands défis énergétiques de la planète au 21 siècle - Dissertation en Écologie et Environnement

L’un des grands défis du XXIème siècle est sans aucun doute le stockage d’énergie. En réponse aux besoins de la société moderne et aux préoccupations écologiques actuelles, il est essentiel de trouver de nouveaux dispositifs de conversion et de stockage d’énergie qui doivent être à la fois peu coûteux et respectueux de l’environnement ; ce qui explique le développement rapide de la recherche scientifique dans ce domaine. Nous nous inscrivons donc dans cette nouvelle tendance qui associe à la fois respect de l’environnement et développement technologique.

Les nanomatériaux sont la clé des progrès fondamentaux en matière de conversion et de stockage de l’énergie qui sont indispensables pour relever le défi du réchauffement climatique et réduire le risque d’extinction des combustibles fossiles. Les nano-pérovskites, en particulier en tant qu’électrodes et électrolytes, offrent des propriétés uniques ou des combinaisons de propriétés pour différents dispositifs d’énergie.

Le but de ce projet est le développement de nouvelles nano-pérovskites pour les batteries au lithium-ion, et éventuellement les piles à combustible et les supercondensateurs. Les matériaux de type pérovskite sont des composés de formule générale AMX3 (ou ABX3) dont la structure est associée à celle de la première pérovskite découverte à l’état naturel : titanate de calcium « CaTiO3 ». Les pérovskites sont connues pour leur très grande variété de propriétés selon le choix des éléments A et M.

Nous avons choisi de travailler sur la pérovskite CaCu3Ti4O12 vu qu’elle se caractérise par sa très forte permittivité diélectrique. Rappelons ici que (Synthèse et caractérisation des céramiques CCTO pures et dopées au Zinc et au Zirconium), nous avons travaillé sur cette pérovskite dans sa forme pure et dopée au Zinc et au Zirconium.

Les résultats obtenus étaient intrigants : L’étude de la constante diélectrique en fonction de la fréquence de CCZnTO, sous différentes températures, a montré qu’il y avait un comportement de résonance. D’autre part, l’étude de la constante diélectrique en fonction de la température, sous différentes fréquences, nous a permis de mettre en évidence une nouvelle anomalie diélectrique relaxatrice pour les pourcentages x=7.5 ;12.5 et 15% en Zinc. C’est pour cela que, dans ce projet, nous voudrions poursuivre cette recherche sur ces pérovskites afin d’analyser leur effet sur la conversion et le stockage de l’énergie dans les dispositifs appropriés.

Ainsi la pérovskite CCTO sera dopée par différents éléments ; en guise d’exemple :

– le Zinc qui permet d’améliorer les propriétés optiques ;
– le Zirconium qui abaisse les pertes diélectriques ;
– le

Sélénium vu qu’il est utilisé dans la fabrication de cellules photovoltaïques à coût réduit et à rendement amélioré.

Nous supposons que ces pérovskites dopées aux différents éléments amélioreraient la durée de vie et la capacité de stockage d’énergie des batteries, ainsi qu’elles permettraient d’abaisser les risques d’échauffement de ces dernières. Nous supposons aussi qu’il existe dans la nature des substances ayant des propriétés physiques pouvant être utilisées à la place des pérovskites. Ces hypothèses ne pourront être validées qu’après différentes expérimentations et vérifications.

Parmi les méthodes que nous appliquerons pour élaborer les nano-pérovskites, nous choisirons entre autres celle par voix Sol-gel, vu que cette méthode permet une synthèse à basse température. Nous savons que le coût des précurseurs sol-gel est souvent élevé, cependant leur richesse permet de développer de nouveaux matériaux dont les propriétés physiques peuvent être facilement contrôlées. Par ailleurs, ce projet fera appel à des techniques de caractérisation variées (RMN, DRIFT, ATG, physisorption d’azote (BET), MEB, DRX, …).

Nous chercherons à vérifier un certain nombre d’hypothèses concernant l’amélioration des batteries au lithium-ion et qui portent :

• sur leur capacité à résister à l’échauffement dont le risque est l’embrasement des batteries,
• sur l’amélioration de leur durée de vie,
• sur la réduction du coût des batteries,
• sur la possibilité du dopage ou la substitution du lithium par un autre élément chimique moins coûteux pour l’environnement.

Ce projet se basera sur une méthode qui part des matériaux existants en vue de les améliorer en modifiant les différents paramètres mis en jeu ; puis en procédant à la simulation du système, nous essayerons de vérifier les hypothèses à travers les résultats que nous offre cette simulation.

A partir de là, nous développerons notre méthode en appliquant un dopage par différents éléments, et à chaque dopage nous vérifierons les résultats jusqu’à validation des hypothèses. La dernière étape consistera en une comparaison entre les résultats validant nos hypothèses et ceux des travaux antérieurs.

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