L’Institut Paul Scherrer (PSI) est le plus important centre de recherche suisse pour les sciences naturelles et les sciences de l’ingénierie.


Le PSI forme des professionnels et des étudiants. Il emploie près de 1300 collaborateurs et développe, construit et gère de grandes installations complexes.

 

Annuellement, plus de 2000 chercheurs de Suisse et du monde entier viennent au PSI afin d’effectuer des expériences sur nos installations uniques.

 

L’Institut, fondé en 1988, porte le nom du physicien suisse Paul Scherrer.


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Paul-Scherrer-Institut

Travaux de recherche avancés sur les matériaux.

FMB participe, dans le cadre de la promotion de l’efficacité énergétique et du développement de la mobilité à faible émission de CO2, à différents projets ((voir liens ci-dessous)). La promotion de nouveaux produits, technologies et infrastructures dans les domaines de la charge et du stockage y est au premier plan. C’est là qu’entre en jeu l’Institut Paul Scherrer (PSI).

Le PSI explore trois thèmes principaux: la structure de la matière, l’énergie et l’environnement ainsi que l’être humain et la santé. L’une des activités principales de la recherche énergétique porte sur le gain d’efficacité en termes de stockage et de conversion d’énergie, notamment pour les accumulateurs utilisés dans l’électromobilité. Nous avons rencontré le Professeur Petr Novák, responsable de la section chargée des accumulateurs électrochimiques.

«Notre objectif est de parvenir à une mobilité respectueuse de l’environnement. En fonction du type de celle-ci, certains systèmes de propulsion sont meilleurs que d’autres. Les moteurs d’entraînement équipés de piles à combustible sont, par exemple, adaptés aux longs trajets; les véhicules électriques ou les moteurs hybrides dotés d’accumulateurs satisfont, au contraire, les besoins de déplacements plus courts», explique Petr Novák.

L’utilisation d’accumulateurs, c’est-à-dire de batteries, rend le système de propulsion encore plus efficace. Ainsi, leur densité d’énergie et de puissance constitue l’objectif principal de la recherche. L’équipe de Petr Novák explore plusieurs possibilités de stockage: «Le PSI n’est pas un fabricant de batteries, mais il s’intéresse, entre autres, à leur vieillissement. Notre recherche porte essentiellement sur les matériaux, notamment dans le cas des batteries lithium-ion de future génération.»

Outre leur densité de stockage élevée, les batteries lithium-ion disposent également d’une longue durée de vie et d’une grande efficacité en ce qui concerne les cycles de charge et de décharge. Malheureusement, en raison du coût élevé des matières qui les composent, elles sont, à l’heure actuelle, trop chères pour être largement utilisées dans les véhicules électriques.

Des matériaux passés à la loupe

Pour pouvoir effectuer des recherches sur les matériaux, le PSI a fait l’acquisition, avec l’aide financière de FMB, d’un microscope électronique à balayage. Les chercheurs arrivent ainsi à grossir l’objet jusqu’à 300 000 fois et travaillent, ce faisant, à l’échelle micro et nanométrique (1 cm = 10 000 micromètres = 10 000 000 nanomètres). Des microscopes avec une résolution encore plus grande permettent d’ores et déjà de visualiser chaque atome.

Klinik Lindberg

Photo 1: agrandissements d’électrodes composées essentiellement de particules de graphite, matériau pour électrodes typiquement utilisé dans les batteries en lithium-ion.

Photo 2: même agrandissement, mais après plusieurs charges et décharges de la cellule dans laquelle se trouvait l’électrode; on aperçoit une «pellicule» caractéristique composée d’éléments électrolytiques.

Les échantillons doivent être secs et sous vide afin d’éviter des changements structuraux sources d’erreur dans le vide poussé de la chambre à échantillons. Les chercheurs tirent des conclusions sur la structure de la couche, les formations de pellicule, les altérations et les modifications du matériau lors de la charge et de la décharge des accumulateurs. Sur la base de ces observations, ils effectuent des ajustements de la matière, notamment en vue d’accroître la durée de vie de la batterie.

Le Dr Wolfgang Märkle, chef du projet Electrodes et cellules, explique la fonction du microscope électronique à balayage: «Le canon électronique concentre un faisceau d’électrons sur la surface de l’échantillon. Les électrons sont réfléchis par cette dernière ou de nouveaux électrons sont générés par le matériau. A partir de ces réflexions, on peut, à l’aide des détecteurs, tirer des conclusions sur la surface, la qualité et la constitution du matériau, dans la mesure où le faisceau d’électrons balaye la surface point par point avant de créer une image.»

«La densité élevée d’énergie et de puissance d’une batterie lithium-ion constitue l’objectif de notre recherche. Toutefois, nous nous attachons également à la sécurité, au respect de l’environnement et au calcul de la rentabilité.», conclut le Professeur Novák