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Défis technologiques >> Stockage électrochimique d’énergie dont les batteries pour la transition énergétique
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Batteries K-ion, vers un système complet sans métaux critiques

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Chimie des matériaux et des interfaces

01-09-2021

SL-DRT-21-0524

david.peralta@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Les batteries Li-ions actuelles utilisées dans les applications hautes énergies sont principalement composées d'une anode en graphite et d'une cathode contenant un oxyde lamellaire lithié de formule LiNixMnyCozO2. Le développement et la généralisation de l'automobile électrique va engendrer une tension notable sur certains éléments chimiques déjà considérés comme critiques ou qui tendent à le devenir (lithium, nickel, cobalt). De plus, le mode de production de ces matériaux s'avère être très énergivore (multiples calcinations) et met en ?uvre des solvants/produits peu respectueux de l'environnement (NMP, ammoniaque). La thèse que nous proposons ici a pour but de développer une technologie de batterie basée sur le potassium, n'utilisant aucun élément critique et dont la production permettrait de réduire considérablement l'empreinte écologique. En terme de performance, le potassium possède un potentiel très proche de celui du lithium, ce qui laisse penser que des batteries hautes énergies pourront être fabriquées. Certains matériaux de cathode au potassium possèdent des capacités théoriques de 155 mAh/g à un potentiel proche de 4 V ce qui permet de rendre la technologie concurrentielle face aux batteries Li-ion classiques. La thèse permettra d'optimiser et de valider la technologie en système complet. L'étudiant optimisera la synthèse du matériau de cathode, l'anode, l'électrolyte afin d'obtenir un système complet performant.

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Electrodes positives à haute densité d'énergie à base de verres pour accumulateurs Li-Ion et Na-Ion

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Ingenieur/Master Chimie du Solide ou Electrochimie

01-10-2021

SL-DRT-21-0577

sebastien.martinet@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Ce sujet de thèse vise au développement de nouveaux matériaux d'électrodes positives à base de verres pour accumulateurs Li-Ion et Na-Ion à forte densité d'énergie. Ces développements seront menés conjointement entre le laboratoire des matériaux pour batteries du CEA-Grenoble et le LDMC du CEA-Marcoule spécialisé dans la formulation et la caractérisation des verres. Les travaux viseront à optimiser les formulations complexes de ces verres pour lever les verrous en terme de perte irréversible au premier cycle et faible cyclabilité. L'objectif sera d'obtenir une composition sans métaux critiques à plus de 1000Wh/kg de matériau actif contre 700 pour les meilleurs matériaux de l'état de l'art actuel. Ceci sera mené en s'appuyant sur un volet caractérisation avancé couplant différentes techniques telles que la diffraction aux rayons X et les spectroscopies RAMAN et FTIR. Un effort particulier sera apporté au développement de mesures operando ou in-situ afin de comprendre les liens entre performances électrochimiques et caractéristiques des verres, ce qui n'a encore pas été reporté dans la littérature.

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Les complexes à transfert de charge comme électrolyte de batterie lithium tout solide

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Master 2 polymère / matériaux / formulation / électrochimie

01-10-2021

SL-DRT-21-0804

laurent.bernard3@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Les accumulateurs lithium-ion ont permis le développement de l'électronique portable et du véhicule électrique. Ils sont particulièrement utilisés en raison de la densité d'énergie qu'ils sont capables de stocker pour un poids et un volume réduits. Le succès de ces systèmes et le développement de nouvelles applications (stockage des énergies renouvelables, objets connectés, ...) requièrent de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies pour satisfaire les exigences en termes de densité d'énergie, de coût et de sécurité. Dans ce contexte, le remplacement des électrolytes liquides toxiques utilisés actuellement par des électrolytes solides est la prochaine étape. Plusieurs familles de matériaux sont étudiées à cet effet, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Historiquement, le PEO est l'électrolyte solide le plus étudié mais sa conductivité ionique ne permet pas son utilisation dans des batteries à température ambiante. Une nouvelle classe de matériaux conducteurs ionique a récemment été découvert : les complexes à transfert de charges. Ces matériaux présentent des propriétés électrochimiques exceptionnelles pour un électrolyte solide en couplant : une conductivité égale ou supérieur à celle des électrolytes liquides à température ambiante, une large fenêtre de stabilité électrochimique et un nombre de transport élevé. Ces matériaux peuvent aussi se mettre en forme facilement, permettant d'envisager une montée à l'échelle rapide au niveau industriel. Dans cette thèse on se propose d'étudier cette nouvelle classe de matériau. Les objectifs principaux de l'étudiant(e) seront de formuler ces matériaux (polymère ou non), d'étudier leurs propriétés physico chimiques (via DSC, ATG, HPLC-MS, RMN, IR, spectroscopie UV-Vis ?) et de déterminer les paramètres influençant les propriétés électrochimiques ( EIS/ conductivité du lithium, stabilité électrochimique, nombre de transport, cyclage). Enfin, un travail important de caractérisations avancées est envisagé afin de déterminer le mécanisme de conduction du lithium dans les complexes à transfert de charge. Des accès aux grands instruments (ILL/ESRF) sont envisagés à cette fin. Le doctorant travaillera dans les laboratoires du département avec un travail important sous atmosphère inerte. Il travaillera ponctuellement dans les salles anhydres du laboratoire pour la mise en forme de ces matériaux. Il apprendra l'électrochimie, l'élaboration de batteries lithium-ion, leur caractérisation électrochimique, l'extrusion de polymère ? Le/la candidat(e) titulaire d'un master/ diplôme d'ingénieur devra avoir acquis au cours de sa formation des connaissances avancées en chimie des matériaux (organique, polymère) et/ou formulation et/ou électrochimie. Par ailleurs, le/la candidat(e) devra idéalement pouvoir : travailler en autonomie sur son projet de recherche, participer à des séminaires techniques/conférences et participer à la vie du laboratoire.

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Développement d'un dispositif d'analyse de gaz operando pour batteries tout solide et étude de l'impact du dopage sur la stabilité de l'électrolyte

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Analyse électrochimique et Post mortem

Electrochemistry, Analythical Chemistry, Mechanics

01-09-2021

SL-DRT-21-0815

irina.profatilova@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Ce doctorat se focalisera sur le développement d'un dispositif de caractérisation pour les batteries « tout solide » et la réalisation d'analyses de gaz opérando pour le développement d'électrolytes solides plus sécurisés. Les batteries « tout solide » représentent un domaine de pointe du développement des batteries modernes pour le transport électrique du futur. Les premiers lots pré-commerciaux de cellules solides avec électrolyte sulfure ont été mis en évidence par Samsung (durée de vie : > 1000 cycles). Cependant, il reste encore beaucoup de problèmes à comprendre et à résoudre pour une commercialisation plus large de ce type de batteries. Le principal obstacle pour les électrolytes à base de sulfure est leur instabilité par rapport à l'humidité. Un autre problème est lié à l'éventuel dégagement de gaz pendant le cyclage. Les méthodes de caractérisation des batteries « tout solide » en sont au tout début de leur développement. Il existe une forte demande d'outils et de méthodes scientifiques pour étudier les différents effets conduisant à la génération de gaz à l'intérieur des batteries et leur dégradation, qui est directement liée à leur sécurité. Les objectifs du présent projet sont 1) le développement de montages expérimentaux pour une étude précise des réactions des électrolytes solides conduisant à la génération de gaz dans diverses conditions et 2) l'obtention d'un électrolyte amélioré pour batteries solides basé sur la compréhension approfondie de sa réactivité. Il existe trois parties principales interconnectées : la construction et l'amélioration des installations, la réalisation d'une analyse fine des électrolytes disponibles et la synthèse d'un échantillon d'électrolyte solide amélioré. Le projet se déroulera au Commissariat Français aux Energies Atomiques et Alternatives (CEA) situé à Grenoble. Il est connu pour son excellent ensemble d'équipements et son expertise dans la recherche et le développement d'énergie plus verte, notamment dans les batteries. Ce centre offre l'opportunité de rejoindre une équipe dynamique et de mener une recherche de haut niveau dans un environnement multidisciplinaire. La région de Grenoble est une célèbre station de ski et de randonnée. Nous recherchons un candidat motivé et proactif pour un doctorat débutant à l'automne 2021 pendant 3 ans. Il existe une assurance maladie pour les étrangers. Un bon anglais oral et écrit ainsi que la capacité de faire des revues de littérature et de rédiger des articles sont essentiels. L'expérience acquise par l'étudiant au cours du doctorat sera sans aucun doute d'un grand intérêt pour un emploi ultérieur.

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Influence du procédé de fabrication d'électrodes de batterie sur les caractéristiques d'électrodes et les performances électrochimiques

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Prototypage et Procédés Composants

Chimie/Physique des matériaux, Electrochimie, Rhéologie des fluides

01-10-2021

SL-DRT-21-0856

benoit.chavillon@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Depuis quelques années, les procédés de fabrications d'électrodes de batteries sont immuables. En effet les électrodes sont fabriquées par enduction sur collecteur. Les électrodes enduites sont alors calandrées pour obtenir la porosité d'électrode visée. Ainsi, des formulations bien maitrisées existent et peuvent s'adapter à beaucoup de matériaux actifs. Une fois calandrées et assemblées en batteries, les électrodes permettent d'obtenir des cellules qui peuvent subir des tests en laboratoire. Malgré cela, l'émergence de nouveaux matériaux induit parfois des difficultés d'obtention d'électrode homogènes. Ainsi,le but de la thèse est de faire une étude complète de l'influence de chacun des composants et des paramètres de fabrication/post fabrication sur l'électrode. Cette étude est menée dans le but de pouvoir trouver des lois de comportement et d'influence des matériaux pour s'adapter à chacun des composants introduits dans l'électrode sans passer par une étude paramétrique. Cette étude pourra ensuite utiliser ces nouvelles connaissances pour pouvoir développer des formulations spécifiques aux nouvelles propriétés de cellules désirées en ce moment telle que la charge rapide. L'ensemble des moyens disponibles au CEA et chez les partenaires concernant les batteries/rhéologie seront utilisés tels que mélangeur à dispersion, mélangeur planétaire pour les encres, différents moyens d'enductions et de calandrage d'électrode, possibilité d'étendre l'étude à des moyens d'extrusions d'électrode,la rhéologie simple et rhéomètre capillaire, des bancs de cyclage et des potentiostats, DRX, MEB, Raman, MET, porosimètre, mesure de surface spécifique, ? Le financement de ce sujet est encore en cours de montage.

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Application de méthodes de synthèse combinatoires par pulvérisation cathodique magnétron pour l'identification de nouveaux conducteurs ioniques pour batteries au lithium

DAQUIT (CTReg)

Ingénieur ou Master 2 recherche / Physico-chimie des Matériaux

01-10-2021

SL-DRT-21-0880

frederic.lecras@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Le but de cette étude est d'identifier de nouvelles compositions de conducteurs ioniques Li+ en vue de leur utilisation dans les nouvelles générations de batteries tout-solide au lithium. Pour ce faire, une méthodologie de criblage expérimental 'haut débit' sera développée. Ce criblage fera appel à la synthèse combinatoire de matériaux en couches minces par pulvérisation cathodique magnétron et à des techniques de caractérisations permettant de cartographier les propriétés chimiques, structurales, électrochimiques des matériaux déposés sur un substrat unique. Il devra permettre d'établir des corrélations entre ces différents éléments et d'identifier les domaines d'intérêt pour les applications visées. Les synthèses combinatoires seront réalisées sur un tout nouvel équipement de pulvérisation cathodique multi-cibles intégré en boite à gants qui permet de le 'mélange' d'éléments provenant de trois cibles, et la génération de gradients de composition de film sur un substrat de 100 mm. Cet équipement est installé sur la plateforme 'batterie' de la PRTT Nouvelle Aquitaine à Pessac. Les caractérisations physico-chimiques et structurales (XPS, EDX, WDS, Raman, ICP, TEM) seront menées à l'Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux et sur la plateforme de nano-caractérisation du centre de Grenoble (PFNC). Les propriétés de conduction des différents composés seront déterminées par spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS). Les matériaux les plus performants (conductivité ionique, stabilité électrochimique) pourront faire l'objet de caractérisations complémentaires notamment par RMN du solide (Li7, B11, Si29, P31,..).

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