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Thèse de doctorat : Développement d'accumulateurs au soufre à électrolyte polymère - H/F

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Informations générales

Référence : UMR5279-DIDDEV-001
Lieu de travail : ST MARTIN D HERES
Date de publication : lundi 17 février 2020
Nom du responsable scientifique : Didier Devaux
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 avril 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La production et le stockage de l'énergie sont des enjeux majeurs pour assurer la transition énergétique. Des batteries de haute densité d'énergie, peu onéreuse à longue durée de vie doivent être développées pour permettre la percée en masse des énergies décarbonées (éolien, solaire) et du transport électrifié.

Pour ces applications, les batteries Li-ion ne sont pas adéquates car leur densité d'énergie devrait être augmentée au moins d'un facteur deux pour répondre au besoin du marché. De plus, la présence d'électrolyte liquide inflammable entraine un risque fort de sécurité (feux, explosion). Une stratégie est alors remplacer cet électrolyte liquide par un électrolyte polymère sec. En plus de l'aspect sécurité, l'autre avantage des matériaux polymères réside dans leur stabilité chimique et électrochimique face au Li métal. Ce matériau est l'anode idéale du fait de sa très haute capacité spécifique. A la cathode une voie prometteuse est l'utilisation du soufre (S8) comme matériau actif. Sa capacité spécifique théorique élevée permet d'envisager des batteries Li-S8 dont la densité d'énergie pratique serait de l'ordre de 500 Wh/kg soit le double des batteries Li-ion. De nombreux verrous restent cependant à résoudre pour favoriser l'essor de cette technologie d'accumulateur comme la dissolution des polysulfures de lithium au sein de l'électrolyte en cours de cyclage (effet de la navette redox) qui impacte négativement la capacité délivrée et le rendement faradique, ainsi que la croissance de dendrites de Li à l'anode lors de la recharge entrainant des risques de court-circuit.

Dans ce contexte ce projet de thèse a pour objectif principal de développer un système complet basé sur une nouvelle génération d'accumulateur au soufre permettant une augmentation significative de la densité d'énergie et de la cyclabilité. Un des axes originaux du projet correspond à l'étude des modes de fonctionnement et de défaillance par des analyses operando de cellules électrochimiques et de batteries complètes par tomographie aux rayons X.

L'étudiant(e) en thèse sera affecté(e) au laboratoire LEPMI et aura en charge l'étude électrochimique et physico-chimique des matériaux et des interfaces des batteries Li-S8. Les matériaux polymères ont été synthétisés en quantité suffisante via une collaboration très active avec l'Institut de Chimie Radicalaire (ICR) d'Aix-Marseille. Un vaste panel de caractérisations est envisagé pour déterminer les propriétés de transport de l'électrolyte, ses stabilités électrochimiques et thermiques, ainsi que l'étude des interfaces avec les matériaux actifs et des processus de diffusion par spectroscopie d'impédance électrochimique. De plus, des tests en batterie complète seront menés pour cartographier les performances en puissance des accumulateurs. L'évolution topologique des interfaces sera suivie par la technique de tomographie aux rayons X disponible sur le campus grenoblois (CMTC, SIMaP) ou sur les grands instruments (ESRF, SOLEIL).

Contexte de travail

Le projet se déroulera au LEPMI (Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces) qui est une unité mixte (UMR 5279) composée de chercheurs ayant pour tutelle le CNRS, l'UGA, Grenoble-INP, et l'Université Savoie Mont Blanc. Le laboratoire comprend environ 60 permanents et environ 100 non permanents. Les principales activités de recherche du LEPMI portent sur l'élaboration, la caractérisation physique et électrochimique de matériaux fonctionnels (polymères, sels, liquides ioniques, catalyseurs, céramiques) destinés aux systèmes énergétiques.

La personne recrutée travaillera au sein de l'équipe Matériaux, Interfaces et ELectrochimie (MIEL) situé sur le campus grenoblois à Saint Martin d'Hères. Elle est focalisée sur la conception et la caractérisation physico-chimique et électrochimique des polymères, sels, liquides ioniques et ionomères et des électrolytes dédiés au stockage et la conversion d'énergie (batteries : lithium-polymère, lithium-ion, lithiums soufre, Mg, Na ; piles à combustible à membrane polymère protoniques et alcalines) ainsi que sur les caractérisations électrochimiques des matériaux et interfaces. De plus, l'équipe a une large activité sur l'étude opérando et in-situ par des techniques couplées : Electrochimie/Raman, Electrochimie/NMR et d'autres techniques synchrotron.

Informations complémentaires

Des compétences en caractérisations électrochimiques et physico-chimiques sont requises. Des compétences en électrochimies en systèmes batteries seront appréciées. Nous vous demandons de candidater avec un CV ainsi qu'une lettre de motivation.

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