Une équipe de chercheurs japonais a mis au point un électrolyte solide capable de transporter des ions hydride (H−) à température ambiante. Cette réalisation est un prélude à une utilisation pratique des batteries et des piles à combustible à base d’hydrogène, avec des améliorations notables en termes de sécurité, d’efficacité et de densité énergétique.
Le défi de l’hydrogène
La mise en œuvre généralisée de l’énergie à base d’hydrogène nécessite une sécurité optimale, une grande efficacité et une simplicité maximale. Les piles à combustible à base d’hydrogène actuellement utilisées dans les voitures électriques fonctionnent en permettant aux protons d’hydrogène de passer d’une extrémité de la pile à l’autre à travers une membrane polymère lors de la production d’énergie.
Le mouvement efficace et rapide de l’hydrogène dans ces piles nécessite toutefois de l’eau, ce qui signifie que la membrane doit être constamment hydratée pour ne pas se dessécher. Cette contrainte ajoute une couche de complexité et de coût à la conception des batteries et des piles à combustible, limitant la praticité d’une économie d’énergie à base d’hydrogène de nouvelle génération.
Les scientifiques ont donc cherché à trouver un moyen de conduire les ions hydride négatifs à travers des matériaux solides, en particulier à température ambiante. « Nous avons atteint un véritable jalon », précise Genki Kobayashi du RIKEN au Japon. « Notre résultat est la première démonstration d’un électrolyte solide conducteur d’ions hydride à température ambiante. »
La solution : les hydrides de lanthane
L’équipe a expérimenté avec les hydrides de lanthane (LaH3-δ) pour plusieurs raisons : l’hydrogène peut être libéré et capturé relativement facilement, la conduction des ions hydride est très élevée, ils peuvent fonctionner en dessous de 100°C, et ont une structure cristalline. En revanche, à température ambiante, le nombre d’hydrogènes attachés au lanthane fluctue entre 2 et 3, rendant impossible une conduction efficace. Ce problème, appelé non-stœchiométrie de l’hydrogène, a été le plus grand obstacle surmonté dans la nouvelle étude.
Lorsque les chercheurs ont remplacé une partie du lanthane par du strontium (Sr) et ajouté une pincée d’oxygène, pour une formule de base de La1-xSrxH3-x-2yOy, ils ont obtenu les résultats escomptés. Ils ont préparé des échantillons cristallins du matériau en utilisant un processus appelé broyage à billes, suivi d’un recuit. Ils ont étudié les échantillons à température ambiante et ont constaté qu’ils pouvaient conduire les ions hydride à un taux élevé.
Des tests prometteurs
Ensuite, ils ont testé sa performance dans une pile à combustible à l’état solide faite du nouveau matériau et du titane, en variant les quantités de strontium et d’oxygène dans la formule. Avec une valeur optimale d’au moins 0,2 strontium, ils ont observé une conversion complète à 100% du titane en hydride de titane, ou TiH2. Cela signifie que presque aucun ion hydride n’a été gaspillé.
« À court terme, nos résultats fournissent des directives de conception de matériaux pour les électrolytes solides conducteurs d’ions hydride », ajoute Genki Kobayashi. « À long terme, nous pensons que c’est un point d’inflexion dans le développement des batteries, des piles à combustible et des cellules électrolytiques qui fonctionnent en utilisant de l’hydrogène. »
La prochaine étape sera d’améliorer les performances et de créer des matériaux d’électrode qui peuvent absorber et libérer de l’hydrogène de manière réversible. Cela permettrait de recharger les batteries, ainsi que de stocker l’hydrogène et de le libérer facilement lorsque nécessaire, ce qui est une exigence pour l’utilisation de l’énergie à base d’hydrogène.
En synthèse
La découverte de l’équipe de chercheurs au Japon marque une étape importante dans le développement des technologies à base d’hydrogène. En réussissant à transporter des ions hydride à température ambiante, ils ont ouvert la voie à une utilisation plus pratique et plus efficace de l’hydrogène comme source d’énergie. Les prochaines étapes de la recherche se concentreront sur l’amélioration des performances et la création de matériaux d’électrode capables d’absorber et de libérer de l’hydrogène de manière réversible.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un ion hydride ?
Un ion hydride est un ion d’hydrogène qui a gagné un électron, lui donnant une charge négative.
Pourquoi est-il important de transporter des ions hydride à température ambiante ?
Le transport des ions hydride à température ambiante simplifie la conception des batteries et des piles à combustible, en éliminant la nécessité d’un système de refroidissement complexe.
Qu’est-ce que la non-stœchiométrie de l’hydrogène ?
La non-stœchiométrie de l’hydrogène est un phénomène où le nombre d’hydrogènes attachés à un autre élément fluctue, rendant difficile une conduction efficace.
Qu’est-ce que le broyage à billes ?
Le broyage à billes est un processus utilisé pour réduire la taille des particules d’un matériau, en le soumettant à des chocs de billes d’acier ou de céramique.
Qu’est-ce que le recuit ?
Le recuit est un processus thermique utilisé pour augmenter la ductilité et réduire la dureté d’un matériau, en le chauffant à une température spécifique puis en le laissant refroidir lentement.
Références
Légende illustration principale : Schéma d’une pile à combustible à l’état solide fabriquée à partir du nouveau matériau et du titane. Le résultat de la réaction de décharge galvanostatique a montré que l’électrode de Ti était complètement hydrogénée en TiH2 pour x ≥ 0,2. Crédit : Riken
Article : « Electropositive Metal Doping into Lanthanum Hydride for H− Conducting Solid Electrolyte Use at Room Temperature » – DOI: 10.1002/aenm.202301993
