Comment fonctionnent les potentiostats et leur utilisation dans la Science et l’Industrie (Série de bases de l’Électrochimie)

Sujet 20 min de lecture

Dernière mise à jour: 12 novembre 2021

Le rôle des potentiostats, les couteaux suisses de la recherche électrochimique, et leur valeur dans R &D, le contrôle de la qualité et les tests de batteries entre autres domaines industriels et scientifiques sont examinés dans cet article.

Derrière toute bonne décision en recherche électrochimique, se cache un bon potentiostat

Les outils de mesure et d’analyse sont utilisés depuis longtemps dans le monde de l’industrie et de la recherche pour stimuler l’innovation. En plus d’accroître notre compréhension scientifique et technique, ces outils jouent un rôle essentiel dans la quantification et la qualification de phénomènes imperceptibles pour les sens humains. Les potentiostats sont un excellent exemple de tels dispositifs analytiques et ont soutenu les progrès dans le domaine de l’électrochimie pendant plus d’un siècle.

Les potentiostats (parfois appelés postes de travail électrochimiques ou potentiostats / galvanostats) sont des outils de mesure et de contrôle essentiels utilisés principalement dans la recherche électrochimique, ainsi que dans d’autres domaines industriels. En électrochimie, les potentiostats sont utilisés à la fois dans la recherche fondamentale et appliquée pour acquérir une meilleure compréhension des processus d’électrodes, de la chimie analytique, de la recherche sur les batteries et de la recherche sur la corrosion. Les applications secondaires incluent la synthèse chimique et la biologie. Vous verrez une liste complète de ces applications dans cet article.

Les potentiostats se sont révélés être des outils majeurs dans le développement des batteries secondaires grâce à leur capacité à étudier les interfaces électrochimiques. Ils permettent également de tester la batterie grâce à leur capacité à charger et décharger une batterie dans des conditions prédéfinies.

Cet article donnera un aperçu général du rôle du potentiostat dans la recherche et l’industrie et décrira son fonctionnement.

En un coup d’œil : Qu’est-ce qu’un potentiostat/galvanostat ?

Un potentiostat / galvanostat est un instrument qui gère l’application de tension ou de courant à une électrode de cellule électrochimique (description détaillée ci-dessous). Le potentiostat/ galvanostat est le principal outil utilisé dans les expériences électrochimiques et électroanalytiques.

Vue d’ensemble: modes de fonction

Modes potentiostatique/ galvanostatique

Les potentiostats/galvanostats ont deux modes de fonction principaux en fonction de la quantité électrique contrôlée – le potentiel ou le courant. Ce sont les modes potentiostatique et galvanostatique (voir Figures 1 &2 ci-dessous). Lorsque le potentiostat / galvanostat est utilisé en mode potentiostatique, il peut être appelé potentiostat.

En mode potentiostatique, le potentiostat applique et contrôle le potentiel, et mesure le courant traversant le système électrochimique (voir Figure 1 ci-dessous).

Figure 1: Principe du mode potentiostatique.

En un coup d’œil: Mode potentiostatique

Le mode potentiostatique mesure et contrôle la différence de tension entre une électrode de travail et une électrode de référence, qui a un potentiel constant. Ce mode, peut-être le plus couramment utilisé d’un poste de travail électrochimique, mesure le flux de courant entre l’électrode de travail et la contre-électrode (qui complète le circuit de la cellule).

Il est courant d’appliquer une « rampe de tension » où la tension est appliquée de manière incrémentielle (une technique potentiodynamique), la plus populaire étant la voltamétrie cyclique (CV). La voltamétrie cyclique est une technique rapide et facile pour obtenir le comportement complet d’un système électrochimique (voir Voltamétrie cyclique : comment obtenir de bons résultats avec votre potentiostat).

Les techniques les plus couramment utilisées en corrosion et en électrochimie analytique sont basées sur le mode potentiostatique.

En mode galvanostatique, l’instrument électrochimique effectue les mesures des variations de potentiel pendant que le courant est appliqué et contrôlé (voir Figure 2 ci-dessous).

Figure 2 : Principe du mode galvanostatique.

En un coup d’œil: Mode galvanostatique

Le mode galvanostatique est basé sur le contrôle du courant traversant le système. Lorsque l’appareil est utilisé pour ces mesures, on parle de galvanostat. L’application la plus courante du mode galvanostatique est la recherche sur les batteries.

De nombreuses techniques électrochimiques modernes sont basées sur une succession de séquences utilisant alternativement des modes potentiostatique et galvanostatique. La possibilité de passer d’un mode à un autre est un développement relativement récent dans la conception du potentiostat, mais qui est largement utilisé dans les tests de batterie où il est nécessaire de passer rapidement du mode potentio au mode galvano. Une telle fonctionnalité nécessite des spécifications haut de gamme telles que celles disponibles sur les potentiostats biologiques.

Autres modes de fonctionnement

Les potentiostats ont également des modes de contrôle spécifiques : la Tension en Circuit Ouvert (OCV), l’Ampèremètre à Résistance Nulle (ZRA) et par Spectroscopie d’Impédance Électrochimique (EIS). Chacun de ces modes de contrôle a un but spécifique.

Le mode de commande OCV permet l’acquisition de données de tension lorsque la cellule est au repos, c’est-à-dire lorsque le potentiostat n’applique aucun courant ou tension à l’électrode de travail de la cellule. Ce mode de commande est couramment utilisé pour l’équilibrage de la cellule électrochimique.

EIS désigne un mode de commande sinusoïdal. Le potentiostat applique un signal d’entrée sinusoïdal (courant ou tension) et mesure la réponse du système. Ce mode de contrôle est largement utilisé dans les systèmes électrochimiques et de corrosion car il fournit des informations détaillées sur la cinétique de réaction, les taux de corrosion et les paramètres de transfert de masse, entre autres. Pour plus d’informations sur la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS), veuillez consulter l’article du Centre d’apprentissage « Qu’est-ce que l’EIS ».

Le mode de contrôle ZRA permet la détermination du bruit de courant électrochimique en appliquant une tension égale à 0 V entre l’électrode de travail et la contre-électrode (voir description des électrodes) et en mesurant le courant circulant entre les deux échantillons identiques. Vous trouverez plus d’informations sur les mesures du bruit électrochimique dans la Note d’application #39-1.#39-2, #39-3

Un lien transparent entre l’interface du potentiostat (logiciel) et le potentiostat (matériel) permet à l’utilisateur de gérer facilement chaque mode.

Dans la partie suivante du document, nous examinerons exactement le fonctionnement du potentiostat en examinant les composants clés et l’architecture du potentiostat.

Comment fonctionnent les potentiostats/galvanostats ?

Contrôle du potentiel : la configuration à trois électrodes

Le potentiostat est un instrument dédié à l’étude des processus électrochimiques. Le contrôle du potentiel de l’électrode de travail interfaciale est crucial pour garantir que le courant est mesuré à un potentiel constant. Une configuration à trois électrodes rend cela possible.

Ces trois électrodes sont appelées électrode de travail, électrode de référence et contre-électrode (également appelée électrode auxiliaire).

L’électrode de travail (WE) : La réaction d’intérêt se produit à l’interface de l’électrode de travail. L’électrode de référence (RE) : Le potentiel de l’électrode de référence est bien connu et stable. C’est le point de référence du système pour le contrôle et la mesure du potentiel. Le courant traversant cette électrode est maintenu proche de zéro. La contre-électrode (CE): Le courant circule entre l’électrode de travail et la contre-électrode. La contre-électrode n’a aucun rôle dans les réactions électrochimiques sauf dans des situations spécifiques : cellule de batterie, corrosion galvanique, mesures de bruit électrochimique.

Figure 3 : Exemple de configuration à trois électrodes.

Composants clés du potentiostat: électrode de référence et amplificateur de commande

Pour garantir que les courants s’écoulent à la suite de variations de potentiel à l’interface de l’électrode de travail, le potentiel de l’électrode de référence doit rester stable et correspondre à sa valeur théorique. Il doit être correctement entretenu. (voir Vérification et validation des électrodes de référence).

L’amplificateur de commande (CA) est un composant électronique clé du potentiostat. Il est utilisé pour maintenir la tension entre l’électrode de référence et l’électrode de travail aussi proche que possible de la tension de la source d’entréeEE_{\mathrm{i}}$. La figure 4 montre la position de l’amplificateur de commande dans une conception simplifiée d’un potentiostat moderne.

Figure 4: Conception de base du potentiostat.

Le potentiel mesuré à l’électrode de référence est renvoyé à l’entrée négative de l’amplificateur de commande. Cela crée une boucle appelée « boucle de rétroaction négative », qui permet à l’amplificateur de commande d’adapter sa sortie et de maintenir une différence de potentiel correspondant à{E_{\mathrm{i}}$. Cela permet au potentiostat de contrôler précisément le signal de tension et d’atteindre la bonne valeur de consigne. Pour plus d’informations, consultez la Note d’application biologique #04: « Le mystère de la stabilité du potentiostat expliqué ».

Dans la partie suivante de cet article, nous décrirons l’évolution technologique des potentiostats au fil du temps, de leur invention initiale aux toutes dernières avancées dans le développement des potentiostats.

Retour en arrière : L’histoire des potentiostats

La première méthode potentiostatique a été utilisée par F. G. Cottrell en 1903 qui a travaillé sur la vérification des équations de transfert de masse. Son expérience consistait en une cellule électrochimique connectée à une batterie en série avec un galvanomètre pour la mesure d’un courant. Cependant, à ce stade, avec un potentiostat aussi simple, il n’était pas possible de déterminer la différence de potentiel à l’interface de l’électrode de travail dans le circuit.

Hickling, électrochimiste à l’Université de Leicester, a développé, en 1942, le principe du potentiostat moderne à trois électrodes, que nous connaissons aujourd’hui. Hickling a supposé que les processus électrolytiques sont généralement régis par le potentiel de l’électrode, qui, jusqu’alors, n’était contrôlable qu’indirectement en modifiant la température, la densité de courant ou les matériaux de l’électrode. Hickling a ajouté une troisième électrode au système et a développé un moyen de contrôler automatiquement le potentiel. Le principe général de cette conception était de comparer la différence de potentiel entre l’électrode de travail et l’électrode de référence en utilisant une tension dérivée d’un potentiomètre. Ce principe utilisé dans le potentiostat Hickling est basé sur la technologie de rétroaction négative (voir ci-dessus).

Le potentiostat Hickling a été le premier potentiostat à utiliser un circuit de rétroaction négative pour la mesure et le contrôle de la tension des électrodes. En 1956, l’électrochimiste Prazak a utilisé le mot potentiostat pour décrire l’instrument électrochimique de Hickling.

Un autre contributeur important au développement du potentiostat était Hans Wenking qui a résolu de nombreux problèmes pour les électrochimistes à la fin des années 50 et 60 en contribuant à la conception de l’électronique encore utilisée dans les postes de travail électrochimiques modernes d’aujourd’hui.

Depuis 1971, la rétroaction négative est obtenue à l’aide d’un composant électronique, appelé amplificateur de commande. Pour en savoir plus sur les commentaires négatifs, veuillez consulter l’article du Centre d’apprentissage biologique « Obtenez plus de votre potentiostat. Comprendre la bande passante & son effet sur les mesures « .

À partir des années 70, la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) est devenue un outil majeur dans la caractérisation des systèmes électrochimiques. Depuis lors, la technologie potentiostat n’a cessé de progresser avec d’énormes améliorations apportées en termes de fonctionnalité, de performance et de précision. L’un des problèmes les plus difficiles lors de la conception d’un potentiostat concerne le phénomène de chute ohmique (voir l’article « Correction de chute ohmique: un moyen d’améliorer la précision de la mesure »). Ces instruments électrochimiques polyvalents sont passés de simples potentiostats à des potentiostats/galvanostats, avec deux modes de fonctionnement principaux (voir définitions des modes potentiostatique et galvanostatique ci-dessus).

De plus, ils sont devenus beaucoup plus faciles à utiliser et de plus en plus puissants. Le premier exemple de potentiostat commandé par ordinateur multicanal a pu être vu en 1991 avec le lancement du MacPile. Ce potentiostat a été inventé par deux chercheurs français, Yves Chabre et Christian Mouget, et commercialisé par BioLogic. Le MacPile peut être considéré comme le précurseur de la vaste gamme de potentiostats / galvanostats actuellement disponibles sur le marché.

Figure 5: Le premier potentiostat commandé par ordinateur multicanal au monde
– La pile Mac, lancée en 1991.

Le principe de rétroaction négative inspiré par A. Hickling reste à ce jour la pierre angulaire de la conception du potentiostat. Le paragraphe suivant explique comment fonctionnent les potentiostats modernes.

Demandes: Comment les potentiostats sont-ils utilisés dans la recherche universitaire et dans l’industrie

Dans lesquelles les potentiostats sont-ils utilisés dans des applications industrielles et scientifiques?

Les potentiostats/galvanostats apparaissent comme un outil d’analyse essentiel dans les domaines scientifiques comme industriels. Ils sont utiles dans un large éventail d’applications et de domaines tels que le stockage et la conversion de l’énergie, l’électrochimie, la science des matériaux et les sciences de la vie, pour n’en citer que quelques-uns. La figure 5 ci-dessous donne un aperçu, et pour plus d’informations, vous pouvez en apprendre davantage sur l’utilisation du potentiostat par application dans le Centre d’apprentissage biologique.

Figure 6: Les potentiostats sont présents dans un large éventail d’applications industrielles et scientifiques

Focus sur l’électrochimie et le stockage de l’énergie: deux des principaux défis techno-sociétaux où les potentiostats font progresser la recherche et l’industrie

Potentiostats et capteurs

Dans la plupart des applications d’électrochimie, les potentiostats / galvanostats contribuent de manière significative à l’amélioration de la compréhension, de la recherche et du développement de systèmes électrochimiques.

Parce que les potentiostats permettent l’observation des réactions redox, le potentiostat est l’outil traditionnel de choix des laboratoires spécialisés en électrochimie analytique. Par exemple, les potentiostats VMP-300 peuvent être utilisés pour caractériser des espèces ou des processus électrochimiques en utilisant la technique de voltamétrie cyclique du logiciel biologique EC-Lab®.

De même, la voltamétrie cyclique et d’autres mesures électrochimiques (voltamétrie différentielle d’impulsions et spectroscopie d’impédance électrochimique) ont été utilisées avec des potentiostats à canal unique tels que le biologique SP-50 pour étudier les propriétés électroanalytiques d’un immunocapteur de tissu. Ces capteurs portables surveillent la concentration de cortisol dans la sueur humaine de manière non invasive et en temps réel. Le taux de cortisol dans le corps humain est une source d’information précieuse car une concentration élevée de cortisol peut avertir de la présence d’une tumeur.

Potentiostats et corrosion

La corrosion est également une préoccupation majeure en électrochimie et un domaine où les potentiostats jouent un rôle vital. Le coût mondial de la corrosion est estimé à 2,5 billions de dollars, le contrôle de la corrosion ayant le potentiel d’économiser de 375 à 875 milliards de dollars par an (soit 3,4% du PIB mondial en 2013). Consultez l’article de notre Centre d’apprentissage Revêtements, Corrosion et Électrochimie des sondes à balayage. La corrosion peut avoir un effet dévastateur sur les infrastructures, la production/ fabrication et le transport, parmi de nombreuses autres activités qui dépendent de l’intégrité du métal utilisé. Les postes de travail électrochimiques (potentiostats) sont utilisés en électrochimie générale pour aider à mieux comprendre les processus électrochimiques fondamentaux qui conduisent à la dégradation du métal en réaction avec des oxydants tels que l’oxygène ou les sulfates.

Les potentiostats sont également utilisés en science des matériaux pour aider à développer des revêtements et prévenir la corrosion. Ils sont très utiles pour de telles analyses car ils permettent d’étudier les taux de corrosion. Par exemple, les propriétés du matériau et les structures sur les propriétés de corrosion du matériau peuvent être étudiées. Outre les potentiostats, les postes de travail à sonde de balayage sont utilisés pour mieux comprendre les processus électrochimiques locaux se produisant lors de la corrosion. Les postes de travail à sonde de balayage donnent une vue « micro » de la corrosion, par opposition à la vue  » macro » obtenue avec les potentiostats (pour plus d’informations, voir l’article « Revêtements, Corrosion et Électrochimie de la Sonde de balayage »). Un exemple d’utilisation de stations de travail à sonde à balayage dans les études de corrosion est l’analyse de la distribution d’homogénéité d’impédance d’un matériau grâce à la technique LEIS (Spectroscopie d’impédance Électrochimique localisée). Cette technique d’électrochimie par sonde à balayage fournit des informations détaillées sur la résistance à la corrosion du système.

Stockage d’énergie et batteries : Utilisation du potentiostat à tous les niveaux de la chaîne de valeur des batteries

Les progrès réalisés dans la recherche sur les batteries au cours de la dernière décennie sont tout simplement stupéfiants. En 2010, la batterie lithium-ion s’est imposée avec la croissance exponentielle de l’industrie des télécommunications et la pénétration du marché du téléphone mobile. Une période de développement technologique rapide signifie que nous voyons maintenant des batteries lithium-ion alimenter à peu près tout ce que nous voyons dans notre monde moderne – même les voitures. Le changement climatique signifie que l’épée de Damoclès pèse sur une grande partie du monde développé avec la disparition des combustibles fossiles et un besoin vital de trouver des sources d’énergie de remplacement. À cette fin, le stockage de l’énergie est essentiel au développement réussi de stratégies énergétiques alternatives – et à l’heure actuelle, les batteries semblent être la technologie la plus efficace capable d’exploiter la puissance du soleil, de la mer et du vent. Il n’est donc pas difficile de comprendre pourquoi le marché des batteries est si important. En effet, le marché mondial des batteries est une zone de forte croissance et devrait atteindre 279,7 milliards de dollars d’ici 2027.

Les potentiostats sont si importants dans la recherche car ils permettent à l’utilisateur de caractériser chaque partie d’une cellule de batterie, mais aussi de souligner la cellule dans sa conception finale afin de caractériser ses performances, à travers le processus répété de charge / décharge, connu sous le nom de cycle de batterie. À mesure que les performances de la batterie deviennent de plus en plus importantes, la qualité du potentiostat et la capacité du système à fournir des données d’intérêt appropriées deviennent également critiques.

Le rôle du cycleur de batterie

Les potentiostats ont trouvé la faveur dans une variété de domaines industriels, principalement grâce à la prolifération des batteries dans une grande variété de domaines, mais surtout dans les industries de l’automobile et des télécommunications. Avec la croissance du marché des batteries secondaires (rechargeables), le besoin d’un nouvel instrument de mesure électrochimique est apparu – le cycler de batterie. Les cycleurs de batterie partagent de nombreuses caractéristiques du potentiostat, mais cet outil de mesure électrochimique est utilisé pour répondre à deux besoins principaux. Les fabricants utilisent des cycles de batterie pour contrôler la qualité des batteries qu’ils produisent. Les grandes organisations industrielles achètent ces batteries et les intègrent ensuite dans leurs produits. Les cycles de batterie sont ensuite utilisés par l’industrie pour sélectionner et qualifier les batteries. Souvent, ces tests impliquent un cycle de batterie afin de quantifier leur capacité.

Pendant sa durée de vie, la batterie peut être associée à un système de gestion de batterie (BMS) qui adapte l’utilisation de la batterie en fonction de son État de Charge ou de son État de Santé (voir l’article de notre Centre de formation :  » État de la batterie: État de charge (SoC), État de santé (SoH) « ). Après son utilisation initiale, la résistance interne de la batterie (dont l’évolution est liée au processus de vieillissement) peut être quantifiée à l’aide de la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) afin de déterminer la prochaine étape de gestion de l’autonomie de la batterie (« second life » est un terme largement utilisé pour l’upcycling et le recyclage des batteries).

Figure 7: La chaîne de valeur technologique des batteries.

Dans l’avenir: L’avenir des potentiostats

Dans cet article, nous n’avons cité que quelques exemples des nombreuses applications et opportunités offertes par les potentiostats/galvanostats. Ce multi-outil électrochimique joue un rôle essentiel dans les laboratoires, les instituts de recherche et les centres R& D à travers le monde. Dans toutes les applications, il existe un besoin croissant d’instruments de plus grande précision, de plus grande précision et de plus hautes performances qui stimuleront la recherche sur le potentiostat et amélioreront les spécifications du potentiostat. La recherche de capteurs est une autre application qui demande des outils d’analyse toujours plus performants. Et les dommages colossaux causés par la corrosion (en particulier l’eau de mer) signifient que la prochaine génération de potentiostats continuera à jouer un rôle essentiel dans la réduction des dommages aux infrastructures grâce à la recherche fondamentale et à la recherche sur les revêtements et d’autres technologies.

Pour le stockage de l’énergie, les nouvelles chimies des batteries évoluent constamment. La nouvelle génération de lithium-ion offre le plus haut niveau de densité d’énergie actuellement disponible. Les versions à semi-conducteurs de la chimie Lithium-soufre devraient offrir un excellent potentiel pour les secteurs de l’espace et de l’aviation ainsi que pour l’industrie automobile. Enfin, le développement de batteries à semi-conducteurs nécessitera des potentiostats toujours plus puissants avec des fonctionnalités et des performances accrues. Le potentiostat a déjà trouvé sa place dans la recherche fondamentale et appliquée, R&D, et les applications industrielles. Mais nous n’avons pas encore commencé à voir toute la valeur de ces outils de mesure extraordinaires.

For an overview of BioLogic potentiostat galvanostats, please click here.

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