Etude de matériaux composites Géopolymère – Noir de carbone mis en forme par impression 3D pour le stockage électrique par effet capacitif

Contexte et objectifs : La transition énergétique vers un système décarboné implique une électrification de nombreux usages ; or, ceci nécessite un stockage d’énergie électrique efficace pour réduire les déséquilibres entre demande et production. Les technologies actuelles permettent de répondre à ces exigences mais la rareté de certaines matières premières implique la recherche d’alternatives. Une d’entre elles serait de développer des supercondensateurs peu coûteux et facilement disponibles en synthétisant des électrodes composites à partir de sous-produits de l’industrie. L’enjeu de ce projet est donc de mettre en oeuvre des liants minéraux conducteurs en dispersant une charge conductrice (du noir de carbone) dans des liants aluminosilicatés, tels que les géopolymères. L’application visée, le stockage d’énergie par effet capacitif, implique l’étude du procédé de mise en forme du composite afin de fabriquer des supercondensateurs. Déroulement de l’étude : Dans le cadre d’un brevet déposé récemment1 par le laboratoire et d’une thèse en cours, l’objectif sera d’étudier la mise en forme du matériau développé pour fabriquer des montages supercondensateurs. L’étude s’intéressera d’abord aux propriétés rhéologiques des matériaux composites (seuil d’écoulement, viscosité) pour différentes formulations afin de déterminer s’ils sont imprimables. Ils seront ensuite mis en oeuvre par fabrication additive à l’aide d’une imprimante LUTUM®5 3D clay printer ; les paramètres d’impression seront optimisés afin d’obtenir des électrodes de supercondensateurs. Ce stage s'adresse à un étudiant intéressé par les questions énergétiques, et souhaitant développer ses compétences dans le domaine des matériaux minéraux. De nombreuses techniques expérimentales seront utilisées pour la caractérisation des matériaux synthétisés, en particulier du réseau poreux (BET, MEB) et de leurs propriétés électrochimiques (voltammétrie cyclique, spectroscopie d’impédance). Le stage se déroule au Laboratoire de Formulation et Caractérisation des Matériaux minéraux (LFCM) du CEA Marcoule, spécialisé dans les matériaux cimentaires et le verre pour les applications énergétiques. Contact : Gabriel Poras, gabriel.poras@cea.fr