Un stockage d’énergie rapide et performant grâce au nitrure de ruthénium

Les supercondensateurs stockent l’énergie électrique tout en offrant une puissance et une vitesse de charge supérieure aux batteries, et présentent cependant une moindre capacité de stockage. Une vaste équipe franco-américaine, rassemblant des chercheurs et chercheuses du CNRS, du synchrotron Soleil et des universités de Lille, de Nantes, de Toulouse et de Californie, a développé des électrodes à base de nitrure de ruthénium (RuN). Elles produisent une capacité de plus de 500 farads par centimètres cubes (F.cm^-3). Cette capacité grimpe à 3200 F.cm^-3 après un processus d’oxydation électrochimique qui a été analysé en temps réel (operando) sous rayonnement synchrotron. Ces électrodes présentent des constantes de temps inférieures à la dizaine de secondes, y compris avant oxydation, ce qui en fait de bonnes candidates pour des dispositifs de charge rapide. À titre de comparaison, les électrodes à base de MXenes, des matériaux bidimensionnels à l’état de l’art, atteignent environ 1500 F.cm^-3 avec des constantes de temps similaires.

Les nouvelles électrodes reposent sur des films de nitrure de ruthénium (RuN), déposés par une méthode de pulvérisation cathodique optimisée dans le cadre de cette étude. Le matériau prend alors la forme d’une rangée de plumes poreuses, de dimensions nanométriques, dont le cœur est en nitrure de ruthénium et les bords en oxyde de ruthénium (RuO₂). Lors de l’oxydation électrochimique, le RuO₂ va s’hydrater (h-RuO₂) et devenir le siège de réactions redox rapides à l’interface entre l’électrode et l’électrolyte. Les électrons générés sont ainsi transportés rapidement par le cœur des nanoplumes en RuN, qui forment un support particulièrement bon conducteur électrique. Au-delà des performances obtenues, cette étude aide à dévoiler les mécanismes réactionnels derrière ces résultats. Elle comporte en effet un volet sur la compréhension du stockage des charges operando, à l’aide de tout un panel de caractérisations avancées telles que la spectroscopie d’absorption des rayons X sous rayonnement synchrotron, ou encore la microscopie électronique à transmission. Cette technologie est en cours de transfert et de valorisation, avec le soutien de CNRS Innovation, au sein de la start-up Hileores, elle-même issue de précédents travaux menés par l’équipe lilloise.

Ces travaux ont réuni des chercheurs et chercheuses de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Univ. Lille/Univ. Polytechnique Hauts-de-France), de l’Unité de catalyse et de chimie du solide (UCCS, CNRS/Centrale Lille/Univ. Artois/Univ. Lille), de l’université de Californie (UCLA, États-Unis), du laboratoire Physicochimie des électrolytes et nanosystèmes interfaciaux (PHENIX, CNRS/Sorbonne Université), du Centre interuniversitaire de recherche et d’ingénierie des matériaux (CIRIMAT, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse Paul Sabatier), de l’Unité matériaux et transformations (UMET, CNRS/Centrale Lille Institut/INRAE/Univ. Lille) et de l’Institut des matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN, CNRS/Nantes Université). Plusieurs de ces scientifiques sont également membres du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E).

Références
Nanofeather ruthenium nitride electrodes for electrochemical capacitors.
Huy Dinh Khac, Grace Whang, Antonella Iadecola, Houssine Makhlouf, Antoine Barnabé, Adrien Teurtrie, Maya Marinova, Marielle Huvé, Isabelle Roch-Jeune, Camille Douard, Thierry Brousse, Bruce Dunn, Pascal Roussel & Christophe Lethien.
Nature Materials, 2024.
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01816-0