Cet article a été rédigé par Yann Claveau, chercheur de Nantes Université au sein du Laboratoire "Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel" (tutelles : CNRS, Nantes Université), dans le cadre d'un financement de l'Académie PULSAR de la Région des Pays de la Loire.

Concilier la production d’énergie renouvelable, souvent intermittente, et des solutions de stockage sûres et durables est un enjeu majeur : énergie solaire et éolienne (pour ne citer qu’elles) exigent des systèmes capables d’emmagasiner l’électricité quand la ressource est disponible. Les batteries et les supercondensateurs répondent à ces besoins selon des logiques différentes : la batterie stocke une grande quantité d’énergie et la délivre de façon continue sur la durée, tandis que le supercondensateur fournit une puissance très élevée sur de courts instants mais stocke peu d’énergie. Idéalement, on voudrait combiner le meilleur des deux mondes.

Les technologies actuelles à base de lithium sont performantes mais posent des problèmes environnementaux et de sécurité — extraction polluante, risques de fuite et d’incendie — qui poussent à chercher des alternatives. Parmi elles, les liquides ioniques dopés en ions plus abondants, comme le sodium, le potassium ou le magnésium, suscitent un intérêt croissant. Ce sont des sels — constitués d’un cation (charge +) et d’un anion (charge -) — qui restent liquides à température ambiante. Contrairement aux électrolytes organiques volatils — le liquide dans vos piles — beaucoup de liquides ioniques sont non volatils et peu inflammables, ce qui réduit les risques liés aux fuites et aux incendies. Cependant, leur viscosité et leur conductivité ionique sont souvent inférieures à celles des meilleurs électrolytes au lithium, d’où la nécessité de mieux comprendre et d’optimiser leurs propriétés.

Pour rendre ces électrolytes plus sûrs et utilisables dans des dispositifs solides, on a développé les ionogels — des matrices solides poreuses qui retiennent le liquide ionique. Imaginez une éponge dont les pores sont si petits qu’on ne pourrait y aligner côte à côte que quelques molécules, mais si nombreux que plus de 90 % de la masse provient du liquide et seulement ~10 % de la matrice solide. Imaginez maintenant qu’on ne puisse ni l’essorer ni évaporer le liquide, que votre ionogel reste stable aux variations de température, et surtout que le liquide contient des charges capables de se déplacer à travers ce réseau. Un tel matériau est un candidat idéal pour un stockage d’énergie plus sûr. Optimiser la mobilité ionique dans ce confinement est donc crucial pour améliorer la performance des batteries et des supercondensateurs.

Le confinement modifie profondément la structure et la dynamique du liquide ionique près des parois : formation de couches ordonnées, variations locales de densité et hétérogénéités de mobilité. De façon contre‑intuitive, il a été observé que, pour certains matériaux, ce confinement augmente la conductivité. Pourriez‑vous vous déplacer plus vite si vous étiez dans un labyrinthe au milieu d’une foule ? On peut supposer que des canaux de diffusion préférentiels apparaissent en raison de changements d’interactions au sein du liquide et entre le liquide et la matrice solide.

Pour explorer ces mécanismes à l’échelle nanométrique, nous utilisons à l’institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel la dynamique moléculaire : une méthode théorique qui permet de simuler les trajectoires des molécules en tenant compte de leurs interactions atomiques. Ce « nanoscope » numérique met en relation comportements microscopiques et propriétés macroscopiques mesurables ce qui orientent les choix expérimentaux et accélèrent la conception de dispositifs plus sûrs et moins polluants capables, à terme, de réduire la dépendance au lithium.

Image de couverture générée par IA.