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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2023-2024
Séminaire - Rémi Bastien & Gaëtan Bonhomme : L'hypermobilité peut-elle se passer d'énergie fossile ? De l'innovation à l'industrialisation : potentiel du capital risque
Rémi Bastien
CTO de la FISITA, ancien directeur Recherche & Innovation du groupe Renault
Gaëtan Bonhomme
Managing Director, Breakthrough Energy Ventures Europe
Résumé de l'intervention de Rémi Bastien
L'hypermobilité de notre monde moderne est-elle possible sans énergie fossile ?
La domestication du charbon et surtout du pétrole a accéléré de manière exponentielle la circulation des biens et des personnes. La mobilité n'est pas la conséquence de la prospérité, mais c'est bien l'inverse. Nous nous sommes donc accoutumés à faire venir du bout du monde nos objets ou à voyager loin en avion pour nos vacances ou professionnellement. Cela a dopé nos économies. L'énergie fossile abondante et abordable nous a laissé user, voire abuser de ces mobilités sans limites jusqu'à récemment. Les contraintes liées au climat vont nous obliger à réduire à zéro l'usage des énergies fossiles avant 2050. Pourrons-nous trouver des énergies alternatives ou allons-nous devoir accepter de limiter la mobilité des biens et des personnes, ou une combinaison des deux ?
Les conclusions de l'étude montrent que :
La mobilité des biens et des personnes est corrélée avec le PIB.
La mobilité quotidienne des personnes suit un « budget temps » d'une heure en moyenne et les distances parcourues dépendent des revenus des voyageurs. Ainsi un citoyen des États-Unis effectue en moyenne 80 km par jour quand un citoyen de l'Afrique centrale n'en fait que 4 km par jour.
Le secteur du transport dépend actuellement à 98 % du pétrole… dont nous devons nous affranchir d'ici 2050, mais aucune forme d'énergie n'est aussi abondante, peu chère et adaptée que le pétrole.
Les transports maritimes et aériens n'ont pas de solutions disponibles pour maintenir la croissance de leur trafic sans le pétrole. La sobriété sera incontournable.
D'autres secteurs comme le transport routier disposent de l'alternative électrique, mais cela va exiger de profondes mutations.
Nous devrons donc combiner l'adoption de solutions technologiques avec une nécessaire sobriété pour nous affranchir du pétrole et, plus largement, des énergies fossiles.
Résumé de l'intervention de Gaëtan Bonhomme
De l'innovation à l'industrialisation : potentiel du capital risque
Le capital risque (l'anglicisme Venture Capital étant le plus souvent utilisé) est la classe d'actif la plus adaptée pour porter les résultats scientifiques et innovations issus de la recherche universitaire vers une réalisation industrielle. Cependant, malgré cette compatibilité supposée, un nombre limité de scientifiques et chercheurs sont formés, voire suffisamment exposés au capital risque. Il en résulte, particulièrement en Europe et en France, une faille de communication et de compréhension qui n'a pas lieu d'être.
Cette lecture propose une introduction au concept de capital risque avec un accent prédominant sur le secteur d'innovation lié à la mitigation du changement climatique (ClimateTech). Elle propose également un état des lieux de l'environnement d'investissement au vu d'un contexte économique toujours difficile en 2024.
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2023-2024
Séminaire - Matthew Rosseinsky : Digital Routes to Inorganic Materials – A New Pathway for Ion Transport in Solids
Matthew Rosseinsky
professor and head of the chemistry department, University of Liverpool, England
Résumé
The need for new materials to tackle societal challenges in energy and sustainability is widely acknowledged. As demands for performance increase while resource constraints narrow available options, the vastness of composition, structure and process parameter space make the apparently simple questions of where to look for and how to then find the materials we need a grand challenge to contemporary physical science. This talk will emphasise that discovery synthesis of new inorganic materials is at the extreme forefront of this endeavour.
There has been a lot of excitement in the popular press and also in some scientific literature recently concerning the potential for artificial intelligence and robotics to transform the discovery of new materials. Given this, it is helpful to consider both useful definition of the word "new" and also how the claimed numbers of materials and the speeds with which they are accessed fit with the size of the space, and the differences in how composition can vary between solids and molecules.
In this presentation, I will address the role of digital and robotic tools in discovery from the perspective of a researcher who targets the experimental realisation of new materials with structures that differ from those in the databases in a manner that has consequence for their functional performance.
This will include the demonstration that it is now possible to guarantee to predict the crystal structure of a material based solely on its composition (Nature 619, 68, 2023), the role of machine learning from data in supporting decisions by experimental researchers (Nature Communications 12, 5561, 2021; J. Am. Chem. Soc. 144, 22178, 2022), and the acceleration of inorganic materials discovery with robots (Chemical Science 2024, DOI: 10.1039/D3SC05688K).
The role of these digital tools in a modern integrated materials discovery workflow will be presented with an example of the discovery (i.e., the experimental realisation in the laboratory) of a quaternary inorganic solid that displays high lithium ion conductivity that arises from its new structure. This exemplifies the definition of scientifically useful novelty, as it leads to a different perspective on how lithium ions can attain high mobility in solids (accepted for publication, 2024). Such perspectives may prove generally helpful in the design of the fast ion transporting materials that we will need across future energy technologies.
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2023-2024
Séminaire - Marc Dubois : Bénéfices pour les propriétés électrochimiques d'une fluoration gaz/solide spatialement localisée
Marc Dubois
professeur, université Clermont-Auvergne, UFR chimie
Résumé
L'élément fluor est omniprésent dans les batteries tant secondaires que primaires, dans le sel ou les additifs de l'électrolyte, les séparateurs, le liant pour la formulation des électrodes ou les matériaux anodiques ou cathodiques. À titre d'exemples, LiPF6 et NaPF6 sont employés comme sel, le carbonate de fluoroéthylène comme additif, les polymères fluorés comme séparateurs pour électrolyte liquide. Pour ne citer que deux matériaux d'électrode, les carbones fluorés apparaissent comme les matériaux de cathode les plus performants pour batteries primaires au lithium (BPLi) et Na3V2(PO4)2F3 s'impose comme cathode en batteries à ions sodium. La réaction hétérogène gaz/solide de fluoration permet d'incorporer cet élément dans les matériaux d'électrode. Bien contrôlé, ce procédé peut être limité à la surface du matériau ou au contraire dans tout son volume. Un parfait contrôle des paramètres opératoires s'avère nécessaire du fait de la grande réactivité du fluor moléculaire F2 généralement employé ; cette particularité est liée à la faible énergie de dissociation de F2 et à la forte exothermicité de la réaction.
Après avoir souligné les difficultés expérimentales de la manipulation de F2 gaz, plusieurs exemples de fluorations gaz/solide spatialement localisées seront discutés en mettant en exergue le gain sur les performances électrochimiques. Lorsque la fluoration est limitée à la surface, la cyclabilité de LTO est améliorée. Lorsque des carbones fluorés sont considérés comme cathode de BPLi, exclure certains carbones de la fluoration et maintenir leur conductivité électronique, selon le concept de sous-fluoration, permet de pallier leur principal défaut, à savoir une faible densité de puissance. Lorsque le précurseur est un oxyde de métal de transition ou un graphite oxydé, une distribution homogène des atomes de fluor et d'oxygène peut être obtenue par des méthodologies adaptées. Les synthèses d'oxyfluorures de manganèse et de graphites seront présentées pour illustrer les adaptations nécessaires afin d'employer le fluor moléculaire. Par ces nombreux exemples, l'objectif est de démontrer les potentialités d'une fluoration gaz/solide spatialement localisée.
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2023-2024
Séminaire - Christian Masquelier : La structure NaSICON : des conducteurs ioniques aux électrodes pour batteries. Vers des systèmes tout solide au sodium ?
Christian Masquelier
professeur de chimie à l'UFR des Sciences de l'UPJV Amiens, LRCS
Résumé
Les matériaux de batteries Li-Ion ou Na-Ion, les électrodes positives et les électrolytes solides en particulier, sont pour l'essentiel des composés inorganiques dans lesquels les métaux alcalins (Li+ ou Na+) doivent diffuser, plus ou moins rapidement ou réversiblement. En tant que tels, ils présentent des propriétés fondamentales très intéressantes de transformations de phase lors de l'insertion/extraction d'ions alcalins et également en fonction de la température. Le cristallochimiste dispose ainsi d'une formidable aire de jeu !
La structure NaSICON, dont les propriétés remarquables de conduction ionique des ions sodium ont été découvertes il y a plus de cinquante ans par J. B. Goodenough et ses collaborateurs, en est un exemple remarquable. De formule générale AxM2(XO4)3, elle se présente sous forme de « charpente » tridimensionnelle extrêmement stable d'octaèdres MO6 (M = Zr, Fe, V, Ti, Nb, Mn, Cr…) et de tétraèdres XO4 (X = P, S, Si, W, Mo) qui génèrent un espace tridimensionnel dans lequel se déplacent (rapidement) les ions A+ (A = Li, Na).
Selon la nature des éléments placés dans les sites octaédriques et tétraédriques, la structure NaSICON offre ainsi toute une gamme de matériaux utilisables comme électrodes, positives ou négatives, ou comme électrolytes solides, dans des batteries au sodium ou au lithium.
Dans cette conférence, j'aborderai plusieurs exemples illustrant la versatilité de cette structure, permettant notamment de réaliser des batteries tout solide au sodium dont les tensions et températures de fonctionnement pourront être maîtrisées à façon par le chimiste du solide.
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2023-2024
Séminaire - Frédéric Kanoufi : Voir pour prévoir : microscopie optique pour la conversion d'énergie électrochimique
Frédéric Kanoufi
directeur de recherche CNRS, Université Paris Cité, ITODYS
Résumé
L'électrochimie joue un rôle central dans le stockage ou la conversion des énergies renouvelables. Elle est à ainsi l'œuvre dans une variété de technologies et dispositifs durables émergents impactant significativement la société. L'optimisation des performances de ces dispositifs requiert une compréhension approfondie des mécanismes de réactions électrochimiques aux échelles ultimes, car étroitement liés à la microstructure des matériaux. Il est ainsi primordial d'apporter des caractérisations structurales multiples et complémentaires, à haute résolution spatio-temporelle, de ces matériaux électroactifs, et idéalement en fonctionnement (operando).
Le développement récent de techniques d'imagerie operando témoigne de cet intérêt accru. Ces techniques novatrices d'observation des matériaux, in situ et pendant leur fonctionnement électrochimique, permettent d'améliorer notre capacité à comprendre leurs modifications structurelles dynamiques, et à établir des corrélations entre performance et structure microscopique. Parmi elles, la microscopie optique operando se distingue par plusieurs atouts majeurs : une sensibilité extrême, une haute résolution spatiale et temporelle, un haut débit d'analyse, une faible invasivité et une mise en œuvre aisée.
Cette conférence vise à présenter les avancées majeures dans l'utilisation des techniques d'imagerie operando optique, afin de développer une compréhension avancée des réactions électrochimiques microscopiques liées au stockage et à la conversion de l'énergie. Elle mettra en lumière les dernières innovations, tant au niveau des instruments que des approches analytiques, englobant les études expérimentales, théoriques et l'analyse de données.
Ces avancées transforment la microscopie optique en un outil essentiel pour la découverte et le développement de nouveaux matériaux et dispositifs performants.
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2023-2024
Séminaire - Christel Laberty-Robert : La mécanique des matériaux : une autre dimension pour le tout solide
Christel Laberty-Robert
professeur, Sorbonne Université , LCMCP, animatrice de l'équipe RMES
Résumé
Les batteries tout solide, vantées pour leur sécurité accrue et leur densité énergétique supérieure, se présentent comme la solution privilégiée pour l'avenir, suscitant un intérêt marqué dans les secteurs des véhicules électriques. Actuellement, cette technologie fait l'objet de recherches approfondies à la fois dans le milieu académique et industriel, englobant les secteurs des batteries, des fournisseurs de matériaux et des consortiums internationaux. Toutefois, il reste à déterminer si cette tendance représente simplement une déclaration d'intention ou une véritable innovation technologique.
Dans le contexte des batteries tout solide, la plupart des obstacles technologiques entravant leur avancement sont liés à la gestion des interfaces et à leur stabilité tout au long des phases d'assemblage et d'exploitation. Par exemple, les variations de composition observées dans les particules de cathode lors de l'utilisation de la batterie génèrent des problèmes mécaniques au niveau des contacts entre les particules d'électrode qui se dilatent ou se contractent et l'électrolyte solide. Du côté de l'anode, le dépôt de lithium métal crée un stress complexe à l'interface avec l'électrolyte solide. Ce dépôt peut se produire non seulement à l'interface électrode-électrolyte, mais aussi à l'intérieur de l'électrolyte solide, dans ses pores ou le long des joints de grains. Le dépôt de lithium confiné génère ainsi des zones avec un stress « hydrostatique » élevé capable d'initier des fractures dans l'électrolyte. Bien que la plupart des défaillances dans ces dispositifs soient attribuables à des problèmes mécaniques, la majorité des recherches se concentre sur l'amélioration du transport d'ions et la stabilité électrochimique des électrolytes.
Dans le cadre de ce cours, après un rappel des descripteurs des propriétés mécaniques, nous aborderons notre compréhension de la mécanique des batteries à l'état solide et de l'effet de la présence de multiples interfaces solides-solides. Nous examinerons également les solutions « matériaux » qui existent pour prévenir et soulager les contraintes afin d'améliorer les performances de ces dispositifs.
Intervenants
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2022-2023
Séminaire - Luc Hovan : Champions européens de la batterie : clés de succès
Luc Hovan, Vice-Président chez Northvolt AB, le fabricant européen de batteries basé en Suède, et Conseiller du Commerce Extérieur de la France, partagera son expérience depuis les début de la start-up en 2017 jusqu'à aujourd'hui.
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Collège de France
Jean-Marie Tarascon
Chimie du solide et de l'énergie
Année 2022-2023
Séminaire - Cédric Tassel : La chimie des composés à anions mixtes : vers de nouveaux matériaux fonctionnels pour l'énergie
Cédric Tassel, Professor, Department of Energy and Hydrocarbon Chemistry Graduate School of Engineering Kyoto University, Japan
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