Face au changement climatique et à la pollution qui pèsent de plus en plus sur l'environnement, les chercheurs s'efforcent de développer des solutions énergétiques durables qui réduiront notre dépendance aux combustibles fossiles. Parmi les technologies pour stocker et libérer une énergie électrique plus propre, se distinguent les études sur les batteries, les piles à combustible et les électrolyseurs. Voici comment la diffusion des neutrons se développe pour devenir un outil puissant dans la mise au point de ces dispositifs.

Les piles à combustible et les électrolyseurs ont plusieurs composants en commun, notamment une membrane polymère semi-perméable qui agit comme une paroi séparatrice empêchant les réactions chimiques secondaires indésirables et les courts-circuits. Cette membrane polymère, qui remplit aussi le rôle d'électrolyte conduisant sélectivement les ions, constitue un élément clé pour une nouvelle génération de batterie dit de type « tout-solide ». Elle fait donc l'objet de recherches visant à résoudre les problèmes critiques qui lui sont inhérents tels que sa durabilité, sa performance et son coût de production. Dans ce but, les chercheurs de l’Irig [collaboration] exploitent les techniques neutroniques, telles que la réflectivité neutronique, la diffusion inélastique et quasiélastique, la diffusion aux petits et grands angles, pour mieux comprendre les structures complexes et les mécanismes de transport des ions dans la membrane. L'amélioration des connaissances qui découlent de ces études a pour but de concevoir des formulations nouvelles aux propriétés améliorées.
Le flux de neutrons est une sonde efficace pour caractériser la structure et la dynamique de la membrane polymère sur une gamme très étendue d'échelles de longueur et de temps. Les neutrons étant particulièrement adaptés pour traverser les parois des conteneurs métalliques et céramiques sans les détériorer, ils permettent d'étudier les membranes dans les conditions réelles de fonctionnement des cellules électrochimiques. Dans les piles à combustible, grâce à la sensibilité des neutrons, il est possible de repérer les déplacements des atomes hydrogène au sein de la membrane. Les expériences de contraste isotopique permettent aussi de séparer et d’identifier les processus complexes qui se produisent au cœur de la membrane.
Bien que la complexité intrinsèque des membranes représente un défi pour la prédiction et l'optimisation de leurs fonctions, les techniques de diffusion des neutrons permettent d'étudier la structure et la dynamique de la membrane en fonction de l'hydratation, et notamment de contrôler tout changement dans les conditions opérationnelles réelles qui influencent directement les performances. Par exemple pour les piles à combustible, si la teneur en eau dans la membrane est trop faible, le transport des ions est freiné. À l'opposé, un excès d'eau fait gonfler la membrane, ce qui dégrade sa stabilité et ses performances.

Grâce à de nouveaux instruments comme les sources de neutrons plus brillantes et des expériences innovantes en mode operando c’est-à-dire pendant le fonctionnement réel du système électrochimique, la diffusion des neutrons est en voie de devenir un outil de recherche majeur pour le développement de dispositifs de production et de stockage d’énergie propre.


Illustration du flux de neutrons traversant une pile à combustible pour obtenir une image de diffusion par détection SANS, instrument D22 à l'ILL. Illustration extraite de la vidéo « Neutrons an inevitable tool for your research on fuel cell ».
© ILL