Procédé de fabrication d’un électrolyte d’oxyapatite orienté pour les SOFC fonctionnant à basse température

Les récents travaux menés à l’IRCER (Institut de recherche sur les céramiques, CNRS – Université de Limoges), dans le cadre du projet FLEXISOC, ont bénéficié de résultats antérieurs obtenus sur un nouveau procédé de mise en forme en vue d’obtenir un matériau texturé d’oxyapatite (La9,33+x/3(SiO4)6O2+x/2). Ces matériaux présentent une conduction ionique à l’oxygène exceptionnellement élevée à basse température. Utilisés comme électrolyte dans les piles à combustible de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), ces matériaux permettraient d’abaisser très significativement leurs températures de fonctionnement en dessous de 700°C.

Un procédé issu d’une compréhension approfondie des mécanismes de croissance des cristaux d’apatite

Le procédé développé à l’IRCER repose sur un frittage réactif à haute température entre des couches alternées de précurseurs : La2SiO5 et SiO2 qui sont mises en forme par coulage en bande et assemblées par thermocompression. Des couches d’oxyapatite (Ap) hautement orientées de plus de 100 μm ont été obtenues (Figure 1 a) et b)). Le développement de ce procédé est le fruit de nombreuses années de recherche qui ont permis de mieux cerner et contrôler les mécanismes réactionnels mis en jeu dans la formation de cristaux d’oxyapatite orientés [1-2]. En particulier, ces travaux montrent que les mécanismes de germination et croissance des cristaux d’apatite sont conditionnés par l’apparition d’une phase liquide à l’interface La2SiO5 / SiO2 (sur les grains de silice), et la précipitation d’une couche intermédiaire de La2Si2O7, qui est le support à la croissance des cristaux d’apatite orientés.

Applications potentielles des matériaux texturés

Les architectures obtenues par ce procédé de frittage réactif peuvent être exploitées pour la fabrication en une seule étape de demi-cellule de piles à combustible de type SOFC. La figure 2 montre une telle architecture constituée d’une couche très dense d’apatite orientée, correspondant à la couche de l’électrolyte, et d’une couche poreuse également d’apatite, mais non orientée, correspondant à l’anode support. Cette dernière couche devra être infiltrée par une source de nickel pour obtenir une conduction mixte ionique et électronique.

[1] https://hal.science/hal-04266023
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884220320265

L. Arbelaez, A. Aimable, E. Bechade, PM Geffroy
IRCER_ Laboratoire du projet FLEXISOC