Vers de nouvelles technologies de l'énergie : couplages électromécaniques dans les électrolytes nanoconfinés

Towards new energy technologies: electromechanical couplings in nanoconfined electrolytes

• Auteur / Autrice : Julien Allegre
• Direction : Benjamin Cross
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 30/09/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MODI : Matière molle: organisation, dynamique et interfaces

Mots clés

Mots clés libres

Liquides confinés

Récupération énergie

Énergie osmotique

Nanofluidique

Confined liquids

Harvesting energy

Osmotic energy

Nanofluidics

Résumé

Les électrolytes ont un rôle majeur à jouer dans la transition énergétique, non seulement pour le stockage (supercondensateurs, batteries, piles à combustible) mais aussi pour la récolte (énergie osmotique). Afin de développer des technologies aux performances accrues, il est nécessaire de parvenir à une compréhension fondamentale de la physique des électrolytes sous nanoconfinement (dans des électrodes ou membranes nanoporeuses). Deux phénomènes physiques sont absolument centraux dans ces applications : l'accumulation de contre-ions sur des surfaces chargées (double couche électrique) et la génération de flux hydrodynamique, électrique ou ionique par des gradients de pression, de potentiel ou de concentration (couplages électrocinétiques). Les modèles théoriques existants, basés sur une description continue de la matière et un traitement en champ moyen des interactions électrostatiques, n'ont jamais été examinés expérimentalement. En effet, la plupart des études se sont jusqu'alors concentrées soit sur les propriétés d'équilibre (interactions électrostatiques), soit sur les propriétés de transport (électro-osmose, conductivité, etc.), ce qui a donné lieu à des interprétations incohérentes. L'approche expérimentale que nous proposons consiste à confiner l'électrolyte à l'échelle nanométrique entre deux surfaces macroscopiques et conductrices, et à combiner mesures mécaniques (force d'interaction) et électriques (capacité). Cette approche assurera (i) une géométrie modèle de confinement, et (ii) des mesures simultanées des propriétés d'équilibre et de transport couplé. Nous avons développé dans l'équipe un appareil de force de surface dynamique [2] et très récemment un banc de mesure électrique, permettant de réaliser les mesures mécaniques et électriques souhaitées. L'objectif principal -et le défi- de cette thèse sera de combiner de manière unique ces deux techniques, afin de sonder les couplages électromécaniques dans les électrolytes nanoconfinés.

Electrolytes have a major role to play in the energy transition, not only for storage (supercapacitors, batteries, fuel cells) but also for harvesting (osmotic energy). In order to develop technologies with boosted performances, it is necessary to reach a fundamental understanding of the physics of electrolytes under nanoconfinement (in nanoporous electrodes or membranes). Two physical phenomena are absolutely central in these applications: the accumulation of counter-ions on charged surfaces (electrical double layer), and the generation of hydrodynamic, electric or ionic fluxes by pressure, potential or concentration gradients (electrokinetic couplings). Existing theoretical models, based on a continuous description of matter and on a mean-field treatment of electrostatic interactions, have never been examined experimentally. Indeed, most studies have so far focused either on equilibrium properties (electrostatic interactions), or transport properties (electro-osmosis, conductivity, etc.), leading to inconsistent interpretations. The experimental approach that we propose consists in confining the electrolyte at the nanometric scale between two macroscopic and conductive surfaces, and in combining mechanical (interaction force) and electrical (capacitance) measurements. This approach will ensure (i) a model geometry of confinement, and (ii) simultaneous measurements of the equilibrium and coupled transport properties. We have developed in the team a dynamic surface force apparatus [2] and very recently an electrical bench, allowing to carry out the desired mechanical and electrical measurements. The main objective -and challenge- of this thesis will be to combine in a unique way these two techniques, in order to probe the electromechanical couplings in nanoconfined electrolytes.