Optimisation et caractérisation avancée de couches minces de zircone stabilisée à l’yttrine par dépôt chimique d’organométalliques en phase vapeur pour des cellules électrochimiques à oxydes solides

Résumé :

Notre consommation énergétique et l’électrification de notre production afin de la décarboner. Le développement des énergies solaire et éolienne est cependant freiné par leur défaut principal : leur intermittence. Le stockage saisonnier de l’énergie sous forme d’hydrogène est une solution prometteuse pour pallier à ce défaut. EPISTORE est un projet de recherche européen visant au développement d’une cellule électrochimique à oxydes solides (SOC), réversible, en couche mince, basse température (< 500°C). Ces dispositifs sont en effet particulièrement pertinents pour la conversion électricité-gaz.

Cette thèse, dans le cadre d’EPISTORE, projet du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020, vise au développement de couches minces de zircone stabilisée à l’yttrine (YSZ) pour servir d’électrolyte pour ces SOCs. Le YSZ, contenant 8 mol% d’yttrine (8YSZ) est un matériau déjà largement utilisé comme électrolyte dans les dispositifs électrochimiques en céramique. Ses propriétés lui permettent de conduire efficacement les ions oxygènes tout en formant une barrière électronique. L’étude des couches minces de YSZ fabriquées au cours de cette thèse doit permettre d’évaluer la pertinence de réduire la quantité d’yttrine dans le matériau. En effet, les travaux publiés sur le sujet suggèrent qu’une concentration de 3 mol% ou 4 mol% d’yttrine pourraient améliorer les propriétés mécaniques, vitales pour des dispositifs en couches minces.

Ce travail détaille l’optimisation de la synthèse de ces films par dépôt chimique en phase vapeurs d’organométalliques (MOCVD) puis la caractérisation avancée de ces échantillons, non seulement structurellement et morphologiquement (XRD, TEM, SEM, Raman…) mais aussi de leurs propriétés électriques via de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) ou mécaniques via nanoindentation et tests de déformation. Une nouvelle technique d’observation directe de la diffusion ionique impliquant des traceurs isotopiques et de la spectroscopie Raman a aussi été adaptée à ce matériau pour la première fois.

Les résultats obtenus suggèrent que l’emploi de 3YSZ et 4YSZ à basse température (< 500 °C) permettent d’obtenir des performances électrochimiques équivalentes ou supérieures au 8YSZ. Un effet positif de ce changement de concentration sur les propriétés mécaniques des films n’a cependant pas été démontré.

Contact : deborah.verger@grenoble-inp.fr