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Sur certains sujets à fortes applications industrielles ou commerciales, le CNRS s’associe, avec ses partenaires académiques, à des entreprises pour former des laboratoires communs (LabComs). Un système qui a si bien fait ses preuves que le 200e laboratoire commun vient d’être inauguré : le Centre de résonnance magnétique électronique pour les matériaux et l’énergie (CR2ME) dont la création marque une nouvelle étape dans la collaboration entre le Laboratoire avancé de spectroscopie pour les interactions, la réactivité et l’environnement (Lasire)1 et TotalEnergies.
Traquer les défauts et l'usure du matériau
Les travaux menés au CR2ME s’articulent autour de deux grands objectifs liés à l’énergie : développer des matériaux et systèmes pour l’énergie et améliorer leur durabilité, que ce soit au niveau de leur durée de vie ou de leur recyclabilité. Ces thèmes se déclinent sur les batteries et les panneaux photovoltaïques, mais également les nouveaux fluides pour la mobilité électrique et des produits tels que les bitumes.
Pour cela, les chercheurs font appel à une technique bien particulière : la résonance paramagnétique électronique (RPE). Cousine de la résonance magnétique nucléaire (RMN) et de l’imagerie par résonance magnétique (IRM), cette technique scrute le spin électronique, une valeur quantique sans équivalent à notre échelle. Cette grandeur est ici utilisée pour détecter la présence d’électrons non appareillés, c’est-à-dire qui se déplacent librement au sein du matériau, grâce à leur effet sur le champ magnétique du matériau en question. Ces électrons libres sont généralement le signe de l’existence d’un défaut ou du vieillissement du matériau, par exemple par oxydation. Ces particules peuvent en plus réagir avec le matériau et le dégrader davantage. « La résonance paramagnétique électronique ne se limite pas à la mesure de l’usure des matériaux, elle donne toute la structure autour des perturbations magnétiques causées par les électrons non appareillés, souligne Hervé Vezin, directeur du Lasire. En comparant avec les structures initiales, nous sommes aujourd’hui capables d’imager directement, et très précisément, ces défauts afin de comprendre comment ils se forment. »
Développer la technologie des batteries « tout solide »
La RPE est par exemple utilisée depuis quelques années pour étudier l’usure des batteries. Jean-Marie Tarascon, professeur de la chaire « chimie du solide et énergie » au Collège de France et directeur du Réseau sur le stockage électrochimique de l’énergie (RS2E), l’a ainsi employée pour analyser in operando, c’est-à-dire pendant leur fonctionnement, les cycles de charge/décharge de batteries au lithium. Avec son équipe, il a pu détecter de cette manière la formation de signes d’usures, des dendrites de lithium, dont l’existence était connue, mais n’avait jamais été observée directement. Les chercheurs du CR2ME veulent de leur côté mener des travaux similaires, mais sur les batteries dites « tout solide ».
Contrairement aux systèmes classiques où l’électrolyte est souvent liquide, toutes les parties de ces batteries sont solides, ou au moins sous forme de gel. Cela réduit aussi bien leur taille que les risques d’explosion. Néanmoins, la démocratisation de ce type de batteries réclame encore de nombreuses avancées scientifiques, notamment pour diminuer leur coût. Un horizon qui intéresse tout particulièrement TotalEnergies. Sa filière Saft, spécialisée dans les batteries, compte justement de munir à terme des voitures électriques avec des batteries tout solide. Une application où la limitation drastique du risque d’explosion en cas de choc est cruciale.
Les atouts d'un LabCom
La création du LabCom s’inscrit dans la continuité d’échanges anciens. Les premiers contacts entre le Lasire et Total remontent ainsi à 2008, lors d’un séminaire sur la RPE. Ces échanges se sont pérennisés avec un stage de master, suivi d’une thèse puis d’un premier contrat avec TotalEnergies en 2014. « Si le groupe Total est déjà impliqué dans plusieurs laboratoires communs avec le CNRS, il s’agit de notre première expérience de ce type au Lasire, explique Hervé Vezin. Ce ne sont pas des choses qui se décident de loin, mais bien une histoire d’hommes et de femmes qui travaillent ensemble depuis des années. Le niveau de la recherche a été tel que c’est TotalEnergies qui nous a proposé de faire évoluer notre collaboration en un laboratoire commun. »
Pour atteindre leurs objectifs, les chercheurs du CR2ME disposeront dès 2022, grâce à un contrat de plan État-Région avec la région Hauts-de-France, d’une infrastructure nationale équipée d’un nouveau spectromètre RPE d’une fréquence de 263 gigahertz. Ces performances en font un appareil unique en France, et le troisième meilleur au monde, de quoi explorer les défauts au plus profond de la matière.
Le CR2ME s’organise actuellement autour d’un contrat de postdoctorat, mais va progressivement monter en puissance. La région Hauts-de-France va financer une chaire Soutien à l’accueil de talents de la recherche scientifique (Stars) pour recruter un jeune chercheur, tandis qu’un second postdoctorat est déjà prévu. L’université de Lille va également labéliser une demi-bourse de thèse. Les LabComs reposent en effet généralement sur le travail de jeunes scientifiques qui partagent leur temps entre les entreprises et les structures publiques.
Le CR2ME est fondé sur la base d’un contrat de quatre ans, renouvelable sans nombre limite afin de garder la possibilité, en fonction des résultats, de poursuivre la collaboration. Les chercheurs voient déjà des applications et des pistes au-delà de la question des batteries. L’exploration de la matière permise par les techniques de RPE pourrait aussi servir à optimiser les systèmes d’électroconversion du dioxyde de carbone ou de l’eau en hydrogène, des molécules cruciales pour la transition énergétique. ♦
lire le communiqué de presse : https://www.cnrs.fr/fr/accelerateur-dinnovation-le-cnrs-cree-son-200eme-labcom
- 1. Unité CNRS/Université de Lille.