Soutenance de thèse : Étude mécanique et électrique d'un électrolyte liquide confiné entre des surfaces conductrices - Julien Allègre (MODI, LIPhy)

Cette thèse a pour objet l’étude mécanique et électrique d’un électrolyte liquide confiné par des surfaces métalliques. Les électrolytes liquides jouent un rôle central dans les technologies de stockage et de conversion d'énergie telles que les batteries et les supercondensateurs ou la récupération d'énergie osmotique. Pour améliorer les performances de ces applications, il est nécessaire d’acquérir une compréhension fondamentale de la physique des électrolytes sous nanoconfinement, notamment au sein d’électrodes ou de membranes nanoporeuses. En effet, ce sont les interfaces électrolyte-solide qui régissent les performances de ces applications par les transports et leurs couplages en surface. Au-delà de ces applications, ces interfaces soulèvent des questions fondamentales encore sans réponse concernant la structure et la dynamique de la double couche électrique, ainsi que son rôle dans la génération de flux hydrodynamiques, électriques ou ioniques par des gradients de pression, de potentiel ou de concentration (couplages électrocinétiques).

 

L’outil de prédilection pour mesurer simultanément les forces d’interaction à l’équilibre et les réponses dynamiques d’un liquide en confinement modèle est l’appareil à forces de surface dynamique (dSFA). Des travaux récents menés avec cet instrument au sein de l’équipe ont permis de mettre en évidence un sur-amortissement par rapport à l’amortissement visqueux de Reynolds en confinement diélectrique, attribué à des couplages électrocinétiques. Néanmoins, les surfaces de verre utilisées jusqu’alors ne permettaient pas de contrôler la condition limite électrique aux interfaces.

En parallèle, les techniques d’électrochimie permettent de contrôler la condition limite électrique aux électrodes dans les cellules électrochimiques. Cependant, la géométrie généralement complexe et hétérogène de ces électrodes conduit à des circuits électriques équivalents sophistiqués, dont l’interprétation physique s’avère souvent délicate.

 

C’est pour lever ces deux limitations que cette thèse propose de combiner des mesures mécaniques et électriques sur un électrolyte confiné par des surfaces métalliques dans un dSFA. Cette approche permet de : (i) tirer parti de la géométrie modèle du dSFA, (ii) contrôler la condition limite électrique des surfaces confinantes et (iii) combiner les mesures mécaniques et électriques (équilibre et transport) d’un électrolyte sous confinement.

Dans un premier temps, nous présentons le développement instrumental permettant de métalliser les surfaces confinantes du dSFA afin de contrôler leurs propriétés électriques. Dans un deuxième temps, nous étudions l’effet du confinement métallique sur la réponse mécanique dynamique, et montrons qu’il modifie profondément l’amortissement par rapport à un confinement diélectrique. Enfin, nous rapportons la réalisation et la modélisation de mesures de spectroscopie d’impédance électrochimique, qui donne accès au transport électrique dans la géométrie contrôlée du dSFA.

 

Ce travail de thèse ouvre la voie à une étude conjointe des réponses mécanique et électrique et des couplages électromécaniques dans les électrolytes confinés.