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Thèse (H/F) : Étude de la stabilité et des mécanismes de dégradation des batteries « redox flow » pour le stockage stationnaire de l’énergie.

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Date Limite Candidature : mercredi 17 avril 2024

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Informations générales

Intitulé de l'offre : Thèse (H/F) : Étude de la stabilité et des mécanismes de dégradation des batteries « redox flow » pour le stockage stationnaire de l’énergie.
Référence : UMR5253-STELEV-004
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : MONTPELLIER
Date de publication : mercredi 13 mars 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2135,00 € mensuel
Section(s) CN : Chimie physique, théorique et analytique

Description du sujet de thèse

Étude de la stabilité et des mécanismes de dégradation des batteries « redox flow » pour le stockage stationnaire de l’énergie.

Contexte de travail

Les Laboratoires d’accueil (ICGM): Notre équipe, au sein du département « Chimie des Matériaux, Nanostructures et Matériaux pour l’Énergie » de l’Institut Charles Gerhardt Montpellier (ICGM), possède une expertise de renommée internationale en sciences des matériaux appliquées aux dispositifs de stockage et de conversion électrochimique de l’énergie. En particulier, les chercheurs du groupe se concentrent sur le développement et la caractérisation de matériaux innovants qui seront intégrés dans les technologies éco-compatibles de demain, telles que les batteries (Li-ion, post lithium-ion et redox flow), les supercondensateurs ou encore les piles à combustible. Le laboratoire, qui regroupe une trentaine de chercheurs permanents et environ autant de non-permanents (stagiaires, doctorants et post-doctorants), est situé sur le campus du CNRS (1919 route de Mende, Montpellier) et dispose d’un accès privilégié à de nombreux équipements scientifiques de pointe. L’ICGM est reconnu pour son expertise en électrochimie appliquée aux systèmes de conversion et de stockage de l’énergie. Actuellement, 4 projets sur les RFB sont en cours à l’ICGM, qui possède une expertise reconnue dans ce domaine.

Objectifs : Cette thèse s’inscrit dans un projet plus vaste (décrit plus en détail ci-dessous) et vise à étudier la stabilité des électrolytes innovants afin de proposer les meilleurs candidats pour les batteries de demain.

Contexte : C’est un fait, la part du stockage de l'énergie par batterie (dit stockage stationnaire) va considérablement augmenter, passant de moins de 1% en 2020 à plus de 10% à l’horizon 2050. Les batteries qui se chargent/déchargent en quelques heures sont particulièrement adaptées à l’intégration et à la gestion des énergies renouvelables. Elles servent également à sécuriser les réseaux électriques de plus en plus complexes (smart grid). Enfin, elles seront utilisées par les industries, les centres commerciaux, et les grands bâtiments publics (hôpitaux, écoles, etc.) pour promouvoir l’autoconsommation et ainsi réduire les factures d’énergie. Pour des raisons évidentes, la batterie au plomb n'est pas adaptée au stockage massif d'énergie. Les batteries lithium-ion, portées par le développement du véhicule électrique, sont aujourd’hui la technologie de référence. Cependant, ces batteries souffrent de sérieuses limitations, à savoir la sécurité et les problèmes liés aux ressources. En effet, le lithium, le cobalt, le phosphore, le magnésium, le titane et le graphite sont déjà considérés comme des matières premières critiques par l'UE dans leur liste de 2020 (cela ne s’améliorera bien évidemment pas dans le futur).

Les batteries à circulation d’électrolytes (RFB pour Redox Flow Batteries) apparaissent donc comme une solution très prometteuse. Elles sont composées de grands réservoirs externes contenant des espèces redox solubilisées et d'un stack de cellules électrochimiques dans lesquelles des réactions redox se produisent. Les RFB au vanadium (VRFB) sont l'une des technologies de batteries stationnaires les plus commercialisées mais elles souffrent de plusieurs inconvénients majeurs. Actuellement, les VRFB sont encore au moins 4 fois plus chères que la technologie Lithium concurrente. Cela s’explique par la faible solubilité (≈ 2 M) des espèces redox, combinée à la faible tension de cellule (1,2 V) qui entraîne une faible densité d'énergie pour le dispositif. Une autre limitation préjudiciable est le coût élevé et volatile du vanadium combiné au fait que cet élément est répertorié comme matière première critique. Il faut trouver des solutions alternatives.

Récemment, il y a eu un fort regain d'intérêt pour les molécules organiques dans le domaine des batteries. Cet intérêt s’explique par leur faible coût, leur disponibilité, leur recyclabilité et leur faible empreinte environnementale. L'un des aspects attrayants de l'utilisation de molécules organiques est la possibilité d’ajuster leurs propriétés à la demande (solubilité, potentiel redox, stabilité, etc.). Depuis le milieu des années 2010, une liste impressionnante de composés organiques a été rapportée, mais les candidats à un développement industriel semblent être rares. Nous pouvons résumer les progrès d'une décennie de recherche comme suit : Premièrement, les batteries qui fonctionnent à un pH très élevé (13-14) utilisent des quinones pour le compartiment négatif (négolyte) et un complexe de coordination du fer (Fe(CN)64-), qui n'est pas une molécule organique, pour le compartiment positif (posolyte). Deuxièmement, les batteries qui fonctionnent à un pH neutre utilisent des dérivés de viologène pour le négolyte et des radicaux nitroxide pour le posolyte. Malgré des avancées significatives ces dernières années, ces électrolytes souffrent tous de problèmes de stabilité, en particulier les posolytes des batteries qui fonctionnent à pH neutre.

Le projet RADICAL, qui a débuté en novembre 2023, se concentre sur le développement de nouvelles batteries aqueuses basées sur des matériaux économiques, non critiques et sûrs, ainsi que sur des électrolytes respectueux de l'environnement. Une batterie fonctionnant à un pH neutre sera proposée. Le projet RADICAL abordera les problèmes d'énergie et de durée de vie de ces batteries en développant des posolytes innovants, performants et plus stables que ceux actuellement disponibles dans la littérature.

Organisation : La thèse s’inscrit dans un projet collaboratif impliquant 4 partenaires (détails ci-dessous). La thèse effectuée à l’ICGM sera consacrée à l’évaluation de la stabilité des posolytes et à l’étude des mécanismes de dégradation. La stabilité des molécules les plus prometteuses (reçues du laboratoire responsable de la synthèse organique) sera évaluée en profondeur. Cela comprendra des caractérisations physico-chimiques classiques (RMN, UV-Visible, LC/MS, ...), des caractérisations électrochimiques et des tests complets en batteries avec des configurations soigneusement sélectionnées.

Les enjeux de la thèse sont donc :
1) Développer une batterie à flux redox pour le stockage stationnaire longue durée ayant un faible coût de production et de maintenance et un faible impact environnemental
2) Apporter une solution à la trop faible stabilité des composés organiques dans les batteries à flux redox aqueuses organiques
3) Rationaliser et standardiser les expériences relatives aux mesures de performances et de stabilité dans les batteries à flux redox

Avec pour objectif de :
1) Comprendre la dégradation des composés de l’état de l’art et proposer de nouvelles molécules stables.
2) Etablir des corrélations entre propriétés des électrolytes et performances de la batterie à flux redox.
3) Proposer une batterie fonctionnant à un pH neutre avec des performances permettant son introduction sur le marché

Le projet et les partenaires : Le projet (5 ans) regroupe quatre partenaires. L’ICGM (Montpellier - Electrochimie des systèmes de stockages er RFB), le LCPME (Nancy - Electrochimie fondamentale et RFB, modélisation systèmes et ACV), l’ICR (Marseille – synthèse organique, chimie des radicaux, RPE) et le PHENIX (Paris – chimie théorique et stockage).


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Contraintes et risques

Les contraintes et risques sont ceux typiquement associés aux travaux dans les laboratoires de chimie (risque chimique, système sous pression et sous vide, risque électrique).