Description du sujet de thèse

Un défi scientifique, technologique et sociétal contemporain crucial pour adresser l'objectif de développement durable n°7 des Nations Unies consiste à remplacer les batteries lithium-ion (où l'électrolyte est un liquide ou un gel) par des batteries tout-solides à hautes performances plus sûres et durables. Au-delà des lignes de forces que constituent le stockage électrochimique de l’énergie et les mobilités électriques, le développement de microbatteries (µBs) plus sûres et plus performantes est également attendu pour répondre à la demande croissante d'électronique embarquée miniaturisée, par exemple pour alimenter les dispositifs de l’Internet des Objets (IoT) possédant une autonomie énergétique accrue. Les électrolytes inorganiques sont actuellement envisagés comme la prochaine génération d'électrolytes de choix pour les microbatteries tout-solides (SSµBs). Ils présentent cependant des inconvénients majeurs au-delà de leurs avantages intrinsèques. En particulier, il est impossible de garantir l'intégrité et la fonctionnalité de leurs interfaces (électrolyte/électrodes) clés lorsque la batterie subit des contraintes internes (dues aux processus de lithiation/délithiation) pendant son cyclage, ce qui entraîne des fluctuations de performances imprévisibles et/ou erratiques pouvant aller jusqu'à un dysfonctionnement intempestif de la batterie et, en fin de compte, leur défaillance.
Pour répondre à cette problématique, nous proposons dans ce projet de thèse internationale (projet SHAPE conjointement développé par l’UMR5279-LEPMI et l’IRL3463-LN2) de combiner une nouvelle génération d'électrolytes polymères autocicatrisants (conçus, synthétisés et caractérisés au LEPMI) à des microbatteries tout-solides embarquées sur puce (SSµB assemblées, caractérisées et cyclées au LN2) reposant sur une électrode négative en silicium (Si) porosifié. Notre objectif est de (i) repousser les limites de la connaissance en matière de stockage électrochimique de l’énergie sur puce (TRL1-3) et (ii) réaliser des preuves de concept (PoCs) (TRL3-4). Grace à la soumission de propositions de temps de faisceaux dans très grandes infrastructures de recherche (par exemple Soleil et ESRF), les équipes de l’UMR5279-LEPMI et de l’IRL3463-LN2 uniront leurs forces pour réaliser des caractérisations (in situ et operando) par diffusion et imagerie des rayons X couplées à des techniques électrochimiques de films minces (SHPE) infiltrés dans des électrodes négatives en Si poreux et des SSµBs pour accéder aux preuves de concepts recherchées respectivement aux niveaux des matériaux de batteries et des dispositifs de stockage de l’énergie embarquées sur puces.
En tant que solution "chimiquement neutre" (c'est-à-dire une solution 2.0 s'appliquant aux batteries à base de cations mono/multi-valents) et innovante pour les microbatteries embarquées sur puces destinées à alimenter les dispositifs de micro/nanoélectroniques, les électrolytes polymères autocicatrisants présentent six avantages clés: (i) leur conductivité (ca)ionique (par exemple Li+) est ajustable à façon par ingénierie macromoléculaire, (ii) leur intégration dans les procédés de micro/nano-fabrication est facilitée, (iii) leur faible densité conduit à des SSµBs plus denses en énergie, (iv) leur flexibilité intrinsèque (nature viscoélastique) permet d'adapter les matériaux de batteries aux contraintes engendrées dans les dispositifs en fonctionnement, (v) leurs facultés d'autocicatrisation permettent de remodeler les matériaux de batteries sein des SSµB via des cyclages en température tirant partie d'un comportement bio-inspiré encodé dans leurs structures chimiques, et (vi) ils permettent de contrôler et réguler l'état de santé (SoH) et l'état de charge (SoC) de ces SSµB 2.0 par un paramètre physique (Température) via l’utilisation d’un système de gestion de batterie intelligent (BMS).
Le premier volet (matériaux) du projet SHAPE se déroulera au laboratoire LEPMI et portera sur l’ingénierie macromoléculaire, la synthèse et les caractérisations multi-échelles/physiques structure/propriétés de transport ionique d’électrolytes polymères autocicatrisants. En collaboration étroite avec le LEPMI, le second volet (dispositif) du projet sera développé au Québec au sein du Laboratoire LN2 où ces électrolytes polymères seront infiltrés à l’état fondu dans des électrodes négatives de silicium porosifiées et des assemblages en microbatteries tout-solides complètes embarqués sur puces réalisés, caractérisés et cyclés pour en déterminer leurs performances et leur durabilité.

Contexte de travail

Le LEPMI (Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces) est une unité mixte de recherche (UMR5279) composée de personnels du Centre National de Recherche Scientifique (CNRS), de l'Institut National Polytechnique de Grenoble (Grenoble-INP), de l'Université Grenoble Alpes (UGA) et de l'Université de Savoie Mont-Blanc (USMB). Les principales activités de recherche du LEPMI portent sur l'élaboration, la caractérisation multi-échelle/physique de matériaux fonctionnels (polymères, sels, liquides ioniques, catalyseurs, céramiques) destinés aux systèmes énergétiques (batteries, pile à combustible et cellules solaires).
La personne recrutée travaillera principalement au sein de l'équipe Matériaux, Interfaces et ELectrochimie (MIEL) localisé sur le campus UGA à Saint-Martin-d'Hères. Cette équipe pluridisciplinaire se concentre sur l’écoconception et les caractérisations chimique, électrochimiques, physico-chimique, et physiques des polymères, sels, liquides ioniques et ionomères et d’électrolytes dédiés au stockage et la conversion électrochimique d’énergie (batteries : lithium-polymère, lithium-ion, lithium-soufre, Na, Ca, Mg. Piles à combustible à membrane polymères protoniques et alcalines, cellules solaires à base de pérovskites). L’équipe MIEL développe une activité soutenue et innovante sur l'étude in-situ et operando par des techniques couplées: Electrochimie/Raman, Electrochimie/RMN, Electrochimie/diffusion, imagerie et spectroscopie des rayons X. L'équipe MIEL est constituée de 19 permanents, 15 doctorants/an, 4 postdoc/an et 6 masters/an. Les travaux du projet SHAPE se dérouleront en co-supervision et collaboration synergique avec l’équipe énergie sur puce du Laboratoire Nanotechnologies Nanosystèmes, le laboratoire de recherche international IRL3463-LN2 basé à Sherbrooke, au Québec. Des séjours scientifiques au Canada font parties intégrantes du programme de recherche de cette thèse qui sera en partie réalisée en immersion au sein du riche écosystème scientifique de l'Institut Interdisciplinaire d'Innovation Technologique (3IT) et des infrastructures (salles blanches) et plateformes technologiques du Centre de Collaboration MiQro Innovation (C2MI) de l’Université de Sherbrooke (UdeS) où seront assemblées, caractérisées et cyclés les microbatteries tout-solides embarqués sur puce du projet SHAPE.