Chercheur junior : Etude XPS operando de batteries Li-ion: interfaces électrode/électrolyte en conditions réelles – H/F

Description du Poste

Les Missions

Les accumulateurs lithium-ion ont permis le développement de l'électronique portable et du véhicule électrique, en raison de leurs fortes densités d'énergie massiques et volumiques. Le formidable succès de ces systèmes et le développement de nouvelles technologies de batteries (« tout solide » par exemple) et les nouvelles applications à grande échelle requièrent des améliorations constantes. Le bon fonctionnement d’une batterie Li-ion classique repose sur la formation d’une SEI (Solid Electrolyte Interphase) à la surface de l’électrode négative de graphite pour obtenir à la fois de bonnes performances, une longue durée de vie et une garantie de sécurité. De manière générale, il est indispensable de stabiliser l’interface électrode/électrolyte aux deux électrodes, positive et négative, ce qui peut être obtenu en utilisant un électrolyte dont la fenêtre de stabilité électrochimique couvre les potentiels de travail des deux électrodes. Malheureusement, en pratique cela n’est jamais réalisé en raison de la très grande différence de potentiel entre les deux électrodes, et donc dans le cas idéal l’interface est stabilisée par la formation d’une couche de passivation constituée par les produits de dégradation de l’électrolyte (comme dans la SEI du graphite, par exemple). Sinon, des revêtements (coatings) peuvent être déposés à la surface des électrodes (ou de l’électrolyte dans le cas d’une batterie « tout solide ») pour stabiliser cette interface, si la formation spontanée d’une couche passivante ne peut pas être obtenue. Il est donc nécessaire de comprendre complètement cette réactivité aux interfaces entre les matériaux, et de caractériser les espèces chimiques dans les interphases formées pour comprendre finement les processus électrochimiques qui gouvernent les performances des batteries du futur. Ces efforts sont intimement liés à l’utilisation de techniques de caractérisation avancées, avec des approches operando permettant le suivi du comportement des batteries en conditions réelles d’utilisation. C’est l’objectif du projet OPENSTORM dans lequel s’inscrit ce postdoc, qui fait partie du Programme PEPR Batteries de France 2030.
Les cellules de caractérisation operando dédiées à l’étude des batteries par des méthodes de diffraction et spectroscopies de bulk furent développées pour la première fois il y a plus de 15 ans, ce qui a permis l’étude de batteries de faible épaisseur. Au contraire, le développement de cellules operando pour la spectroscopie de photoémission (XPS) est un tout autre challenge à cause de la difficulté de concevoir une cellule s’approchant des conditions de fonctionnement réelles d’une batterie avec une spectroscopie sensible à la surface. Néanmoins, l’XPS reste l’une des meilleures techniques pour l’étude des interfaces électrode/électrolyte dans les batteries grâce à l’identification des espèces chimiques. Il faut donc poursuivre les efforts dans le design de cellules operando adaptées aux études XPS, étant donné que les principales limitations des batteries résultent de problèmes de réactivité interfaciale, et ceci pour toutes les nouvelles générations de batteries à l’étude à l’heure actuelle. L’objectif de ce postdoc est donc d’exploiter les grandes profondeurs d’analyse permises par l’HAXPES (extension de l’XPS aux hautes énergies de photons) pour développer des cellules pour l’étude d’interfaces enfouies (pour l’étude des batteries tout solide par exemple). Ces nouvelles cellules operando permettront d’aller plus loin que les cellules déjà mises au point pour des spectromètres XPS standard qui ne permettent d’analyser que l’extrême surface. Grâce aux grandes profondeurs d’analyse de l’HAXPES, il sera possible de reproduire plus finement les conditions réelles de fonctionnement des batteries pendant l’analyse. Nous développerons deux types de cellules, pour l’étude des interfaces solide/solide d’une part, et solide/liquide d’autre part, avec pour objectif la caractérisation des espèces chimiques formées aux interfaces pendant la réaction électrochimique en conditions operando. Un premier prototype de cellule solide/liquide a déjà été mis au point (Capone et al., J. Synchrotron Rad. 2024, 31, 1505).

L'Activité

Ce projet de recherche fera l’objet d'une étroite collaboration entre l'IPREM (Institut des Sciences Analytiques et de Physicochimie pour l'Environnement et les Matériaux, Université de Pau et des Pays de l'Adour, https://iprem.univ-pau.fr) spécialisé dans les analyses de surfaces/interfaces dans les batteries, qui est un laboratoire du Réseau Français sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E https://www.energie-rs2e.com/fr/notre-organisation), et le Synchrotron SOLEIL (Ile-de-France) https://www.synchrotron-soleil.fr.
Le postdoc sera principalement basé à Pau, et réalisera des campagnes d’expériences à SOLEIL (environ 3 semaines par an). Deux autres laboratoires du RS2E participeront à l’élaboration des cellules operando. Le postdoc aura la possibilité de participer à cette élaboration dans les laboratoires partenaires. Il(elle) consacrera une part importante de ses activités de recherche à l’élaboration des cellules, à leur validation électrochimique et spectroscopique, et à l’étude des processus chimiques aux interfaces électrode/électrolyte pour comprendre et décrire les mécanismes au sein des batteries.
Le postdoc aura à sa disposition les techniques de caractérisation de surface suivantes :
- à SOLEIL (ligne Galaxies) : Hard X-ray Photoemission Spectroscopy (HAXPES).
- à l’IPREM : spectroscopie XPS, spectroscopie d’électrons Auger (AES), time-of-flight secondary ions mass spectrometry (ToF-SIMS), qui font toutes les trois l’objet de développements operando au laboratoire IPREM. Une participation à ces développements est possible.

Votre Profil

Compétences

- Doctorat en chimie/physicochimie des matériaux
- Solides connaissances en chimie et électrochimie des solides, et/ou en physicochimie des surfaces et interfaces.
- Esprit d'initiative, capacité de synthèse et de rédaction en anglais seront des éléments déterminants.

Votre Environnement de Travail

L’IPREM (Institut des sciences analytiques et de physico-chimie de l'environnement et des matériaux), est une Unité Mixte de Recherche CNRS/Université de Pau et des Pays de l'Adour, https://iprem.univ-pau.fr). Il possède une expertise reconnue internationalement dans le domaine des surfaces des matériaux et des interfaces électrode/électrolyte dans les batteries Li-ion, les microbatteries, et les batteries "post Li-ion": Li-Soufre, Sodium-ion, Potassium-ion, batteries organiques, tout-solide, etc. Le laboratoire possède une plateforme expérimentale de tout premier plan au niveau international dans cette spécialité. Il est membre actif des réseaux de recherche français (RS2E) et européen (Alistore) de recherche sur le stockage électrochimique de l’énergie.

Rémunération et avantages

Rémunération

Entre 3 041.58€ et 3 359.58€ bruts mensuels selon expérience

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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Les métiers de la recherche