Imaginez que l’on puisse couvrir de larges surfaces par des couches d’oxydes à porosité contrôlée ou que l’on puisse préparer des verres à température ambiante : c’est exactement ce que permet le procédé sol-gel, apparu au milieu du xixe siècle avec la découverte du Français Jacques-Joseph Ebelmen qui remarqua que l’éther silicique se transformait progressivement en silice translucide sous l’action de l’humidité. Le procédé sol-gel permet en effet de préparer, à partir de précurseurs moléculaires simples et de réactions chimiques facilement contrôlables, des matériaux à structures optimisées pour des applications visées. Est ainsi détaillé l’aspect fondamental du procédé, incluant le choix des précurseurs, des catalyseurs acides ou basiques sur le degré d’avancement et la cinétique des réactions d’hydrolyse et de condensation/polymérisation. Forts de ces bases, nous présentons la synthèse sol-gel de matériaux hybrides organique/inorganique, en distinguant les gels hybrides de classe 1 et classe 2, avec pour ce dernier la formation de liaisons covalentes entre partie organique et inorganique.
Tout aussi important que la formation des gels est leur séchage, qui est gouverné par des problèmes de capillarité, de tension superficielle, d’interface liquide vapeur dont l’origine est expliquée. Le séchage par fluide supercritique (CO2) et la lyophilisation qui court-circuite l’interphase liquide-vapeur permettent d’obtenir des aérogels alors que le séchage reposant sur l’association solvant polaire/non-polaire et l’évaporation conduisent à des matériaux à moindre porosité dénotés ambigel et xérogel, respectivement, chacun ayant leurs applications spécifiques. Celles-ci sont mentionnées mais seules les applications relevant du domaine du stockage de l’énergie sont détaillées. L’aspect bénéfique des aérogels de V2O5 pour batteries à ions Lithium est souligné. De telles applications nécessitent des ajustements du procédé sol-gel afin de préparer des oxydes binaires dont Mn+4 est non stable en milieu aqueux, voire des oxydes de fer et autres. Sont alors décrits les procédés sol-gel fondés sur l’utilisation d’un oxyde de propylène comme précurseur de groupes hydroxyle pouvant ensuite être condensés et produire des aérogels. Ainsi, des aérogels de métaux 3D (FeOX, CoOX) et de terres rares, voire de composés spinelle, ont pu être obtenus et leurs performances en batteries, piles à combustible mentionnées. Enfin sont abordés les gels organiques résorcinol-formaldéhyde qui sont à la base d’aérogels de carbone d’architectures et de structures très diverses. Afin d’élargir ce cours, nous détaillons l’extension du procédé polyol à la synthèse de gels de chalcogénures, de composites voire d’approches sol-gel en milieu aqueux où l’oxygène n’est point apporté par l’eau mais par l’alcool réactionnel.
Nous concluons sur l’apport de ces architectures ouvertes vis-à-vis du stockage électrochimique qui permettent des performances considérables au niveau puissance, grâce à la présence de réseaux interconnectés pour le transport d’ions voire d’oxygène, ainsi que des performances gravimétriques attrayantes. Il n’en demeure que les performances volumétriques de ces structures ouvertes sont désastreuses, ce qui explique qu’elles ont des difficultés à passer la porte du laboratoire pour des applications dans ce domaine.
