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Mécanismes de dégradation de l'électrode à oxygène en Ferro-cobaltite de Lanthane dopée au Strontium pour cellules à oxydes solides

par Giuseppe Sassone

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Jérôme Laurencin et de Aline Leon.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production , en partenariat avec CEA Grenoble / LITEN (laboratoire) depuis le 25-08-2020 .


  • Résumé

    Les cellules à oxydes solides ('SOCs' pour 'Solid Oxide Cells') sont des convertisseurs électrochimiques fonctionnant à hautes températures qui peuvent transformer un gaz en électricité en mode pile à combustibles (SOFC) ou inversement en électrolyse (SOEC). Ces systèmes ont récemment attiré un attention croissante grâce à une grande flexibilité d'utilisation et des rendements énergétiques très importants. Ces avantages permettent d'envisager diverses applications technologiques qui pourraient offrir des solutions innovantes pour une transition vers un marché de l'énergie renouvelable. Néanmoins, la durabilité des cellules à oxydes solides reste à ce jour insuffisante pour un déploiement industriel à grande échelle. Parmi les différents phénomènes de dégradation, la déstabilisation du matériau d'électrode à oxygène, classiquement composé d'une Ferro-Cobaltite de Lanthane dopée au Strontium (LSCF), contribue significativement au vieillissement de la cellule. Dans ce contexte, le travail de thèse consistera à étudier les mécanismes contrôlant la démixtion du matériau d'électrode à oxygène associée à des phénomènes de diffusion des éléments chimiques. Pour ce faire, une approche expérimentale et de modélisation sera adoptée. Des tests électrochimiques de longues durées seront réalisés et les électrodes vieillies seront caractérisées par fluorescence et diffraction des rayons X synchrotrons à l'échelle nanométrique. Les données acquises seront introduites dans une modélisation multi-échelle pour analyser les résultats. Des recommandations sur les matériaux et les conditions de mises en forme seront finalement proposées en vue d'améliorer la durée de vie des cellules.

  • Titre traduit

    Degradation Mechanisms of the Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite Used as Oxygen Electrode in Solid Oxide Cells


  • Résumé

    Solid oxide cells (SOCs) are electrochemical devices operating at high temperature that can directly convert fuel into electricity (fuel cell mode – SOFC) or electricity into fuel (electrolysis mode – SOEC). In recent years, the interest on SOCs has grown significantly thanks to their wide range of technological applications that could offer innovative solutions for the transition toward a renewable energy market. Indeed, the SOCs present various advantages, such as a good reversibility, a large fuel flexibility and a very high efficiency. Despite these advantages, the degradation in performances is still too high to envisage the industrial deployment of this technology. Among the different degradation phenomena, the destabilization of the oxygen electrode, classically made of Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite (LSCF), is recognized to contribute significantly to the cell ageing, especially when operated in electrolysis mode. In this context, the aim of the PhD thesis is to investigate the mechanisms controlling the electrode phase demixing and the diffusion of chemical elements. For this purpose, an experimental and modeling approach will be adopted including electrochemical testing and advanced post-test characterizations. Nano-imaging by synchrotron X-ray fluorescence and diffraction will be conducted on the aged electrodes. The acquired data will be implemented in an existing multiscale model to analyze the degradation mechanisms. Finally, recommendations in terms of materials and manufacturing conditions will proposed to improve the cell lifetime.