Synthèse et caractérisation de conducteurs ioniques à structure apatitique

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Technologie (Sciences appliquées),

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

frittage, conduction ionique, apatites, piles SOFC, matériaux poreux et porosité

Mots-clés

Conduction ionique - Thèses et écrits académiques,

Piles à combustible à oxyde solide - Thèses et écrits académiques,

Apatite - Thèses et écrits académiques,

PorositéPorosité -- Thèses et écrits académiques

Dans le domaine de la production d'énergie électrique, les piles à combustible à oxyde solide (SOFC) sont depuis quelques années l'objet d'études visant à optimiser leurs performances. Le principal point à améliorer reste la trop haute température de fonctionnement, liée avant tout à la nature de l'électrolyte : à l'heure actuelle, le matériau le plus utilisé est la zircone yttriée (YSZ), dont les propriétés de conduction des ions O²⁻ sont suffisantes aux alentours de 1000°C. La diminution de la température de fonctionnement à une température dite "intermédiaire" (600-800°C) passe donc par la recherche d'un matériau performant dans cette gamme de température. Les oxyapatites sont des candidats potentiels. Ce travail propose dans un premier temps une revue bibliographique. Les contraintes liées au conditions d'utilisation des SOFC sont résumées, instaurant le cahier des charges des différents matériaux la constituant. La structure cristalline des apatites est ensuite détaillée. Les différentes recherches déjà effectuées sur les propriétés de conduction ionique des oxyapatites sont répertoriées. L'oxyapatite choisie comme référence La₉,₃₃(SiO₄)₆O₂ est synthétisée par voie solide puis densifiée par frittage naturel ou par frittage sous charge uniaxiale. L'accent est particulièrement mis sur l'optimisation des protocoles de synthèse et de densification, et ce dans l'optique d'obtenir un matériau aussi pur et dense que possible. L'influence de la porosité résiduelle sur la réponse électrique est détaillée : la microstructure particulière des échantillons a notamment amené en première hypothèse à considérer les échantillons comme des composites apatite-air. L'amélioration de la conductivité passant par une meilleure compréhension des mécanismes régissant la diffusion des ions O²⁻ au sein de la structure cristalline, plusieurs séries d'échantillons à stoechiométrie contrôlée par différents dopages sont synthétisées et caractérisées. L'influence de divers défauts (natures des substituants, lacunes cationiques, quantité de porteurs de charges sous ou surstoechiométriques) est ainsi étudiée, donnant des informations sur les paramètres à maîtriser dans la formulation du matériau, et mettant particulièrement en évidence l'importance des relations formulation chimique / propriétés électriques.