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Thèse de doctorat "Modélisations avancées d'expériences de microbalance à quartz électrochimique pour l'étude de matériaux pour le stockage d'énergie" (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 1 juillet 2021

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Informations générales

Référence : UMR5085-CELMER-003
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : jeudi 10 juin 2021
Nom du responsable scientifique : Céline Merlet
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 novembre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La microbalance électrochimique à quartz (EQCM) est une méthode de choix pour étudier in situ les mécanismes de charge/décharge dans les systèmes de stockage d'énergie électrochimique tels que les batteries et les supercondensateurs. Lorsque les conditions sont adéquates, il est possible de relier les variations de fréquence d'un résonateur (cristal de quartz) aux changements de masse et aux flux d'ions à sa surface avec une sensibilité de quelques ng/cm2. Au laboratoire CIRIMAT, cette méthode a été utilisée pour étudier l'interface entre une électrode de carbone et divers électrolytes, et son évolution lors de l'application d'un potentiel. L'un des défis associés à l'EQCM est que seule une valeur de masse est mesurée pour chaque potentiel, résultant en fait de différents flux d'ions et de molécules de solvant. Il est donc nécessaire de faire un certain nombre d'hypothèses pour interpréter les résultats. Une autre difficulté est l'existence d'autres phénomènes, dissipatifs par exemple, qui peuvent affecter la fréquence du résonateur. Pour faire le lien entre les événements microscopiques et la variation de masse macroscopique, il est possible de réaliser des simulations moléculaires atomistiques. Ces simulations ont montré un bon accord avec les expériences pour un certain nombre de propriétés (quantités d'ions adsorbés dans les électrodes poreuses, capacitances, nombres de solvatation) mais ne fournissent pas, à ce jour, d'interprétations satisfaisantes pour les résultats EQCM. En raison de la longueur des temps de calcul et de la taille limitée des systèmes (structures de carbone de quelques nanomètres pour les simulations, loin des particules micrométriques utilisées expérimentalement), les simulations moléculaires seules ne sont pas nécessairement les plus appropriées pour interpréter les expériences. En particulier, les carbones expérimentaux sont souvent caractérisés par leur distribution de la taille des pores, qui n'est pas correctement représentée dans les petits systèmes. Des modèles dits mésoscopiques, qui peuvent simuler des systèmes de taille micrométrique beaucoup plus rapidement (~ 10 000 fois plus rapidement que les simulations moléculaires), peuvent alors être développés. C'est ce qui a été fait dans le passé pour prédire par exemple des quantités d'ions adsorbés et des spectres RMN. Néanmoins, comme pour les simulations moléculaires, les résultats des simulations mésoscopiques fournissent un bon accord avec les expériences pour un certain nombre de propriétés mais pas pour l'EQCM.

Les objectifs du projet sont les suivants :
- établir clairement le lien entre les propriétés microscopiques de l'interface électrode/électrolyte et les variations de masse/fréquence mesurées par EQCM ;
- améliorer les modèles mésoscopiques sur la base de ces nouvelles connaissances afin de pouvoir simuler et interpréter plus rapidement les expériences d'EQCM.
Bien que centré sur les matériaux carbonés, le développement de techniques de modélisation avancées pour simuler les expériences d'EQCM ouvre la porte à une meilleure compréhension de nombreux matériaux d'électrodes utilisés dans les batteries et les supercondensateurs. Du côté des simulations, il existe un certain nombre d'effets qui peuvent entraîner des divergences avec les expériences. Dans ce projet, nous utiliserons des techniques de simulations moléculaires de pointe pour explorer l'influence de plusieurs facteurs sur les prédictions de courbes d'EQCM. Si la modélisation des expériences d'EQCM est l'objectif principal, les simulations réalisées seront également utilisées pour déterminer d'autres propriétés, pertinentes pour la performance des systèmes de stockage d'énergie, apportant de nouvelles connaissances fondamentales sur les mécanismes de charge et l'interface électrode/électrolyte.

Contexte de travail

Cette thèse de doctorat est financée par le Réseau sur le Stockage Électrochimique de l'Énergie (RS2E) et est un projet commun entre le laboratoire CIRIMAT à Toulouse (encadrement par Céline Merlet) et le laboratoire PHENIX à Paris (encadrement par Mathieu Salanne). Au CIRIMAT, des réunions régulières avec les expérimentateurs effectuant les mesures EQCM, l'équipe de Patrice Simon et Pierre-Louis Taberna, seront organisées.

Contraintes et risques

Pas de contraintes ni risques particuliers.

Informations complémentaires

Profil recherché : candidat(e) avec un master en chimie, en matériaux ou en physique et intéressé(e) par des travaux théoriques (candidature possible pour les étudiants en deuxième année de master). Une expérience en programmation et/ou en simulation moléculaire est appréciable.

Pour toute information complémentaire sur le projet et/ou le processus de recrutement, il est possible de contacter Céline Merlet (merlet@chimie.ups-tlse.fr). Toute candidature doit être déposée via le portail emploi CNRS et doit inclure un CV et une lettre de motivation.

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