Description du sujet de thèse

CONTEXTE GENERAL : Les batteries aqueuses au zinc (ZnB) constituent une technologie prometteuse pour réguler la production électrique solaire et éolienne avec un risque opérationnel et un impact environnemental réduits par rapport aux batteries au lithium.
PROBLEMATIQUE SCIENTIFIQUE : La dissolution (et l'électrodéposition) répétée du zinc pendant les cycles de charge-décharge de la batterie est associée à un dégagement d'hydrogène par électrolyse de l'eau et à la formation de dendrites qui conduisent in fine à la défaillance de la batterie. Récemment, de nouveaux types d'électrolytes aqueux ont permis de résoudre ces problèmes. Cependant, d'un point de vue fondamental, la nature des mécanismes sous-jacents vient d'être fortement remise en question principalement parce que la chimie électrolytique interfaciale (locale) à la surface de l'électrode de zinc et son évolution pendant le fonctionnement de la batterie ne sont pas comprises.
OBJECTIF DU TRAVAIL : Le principal objectif consiste donc à décrire la dynamique de la chimie interfaciale (sphère de solvatation des ions, pH local, production d'hydrogène...) et l'évolution de la morphologie de l'électrode de zinc (dendrites, produits de passivation...) pendant les cycles de charge décharge. Dans cette optique, le travail sera centré sur le développement d'une méthodologie intégrant un ensemble d'outils de caractérisation operando capables de sonder à la fois la région interfaciale (<10 nm) et la première partie de la couche diffuse (<3 microns) de ces nouveaux électrolytes.
TROIS DEFIS SCIENTIFIQUES seront relevés (i) suivre la chimie de l'électrolyte en utilisant des spectroscopies vibrationnelles operando (ii) suivre la topologie du zinc et la production d'hydrogène par microbalance électrochimique à cristal de quartz couplée à la microscopie à force atomique (iii) corréler les résultats à travers une sélection de nouveaux électrolytes.

Contexte de travail

L'Institut des Matériaux de Nantes (IMN, https://www.cnrs-imn.fr/), quant à lui, regroupe des chimistes, des physiciens et des ingénieurs des matériaux. Avec plus de 150 chercheurs et personnels d'appui, il représente aujourd'hui l'un des plus grands centres de recherche sur les matériaux en France. Les projets de recherche sont variés, y compris des collaborations avec l'industrie et d'autres organismes de recherche nationaux et internationaux. L'IMN s'intéresse à la compréhension fondamentale de la science des matériaux et de leurs propriétés à partir de l'échelle atomique. Cela permet la conception, la caractérisation et l'optimisation de nouveaux matériaux pour une gamme variée d'applications de haute technologie, y compris les cellules solaires, les piles à combustible, les batteries de voitures électriques, la nanotechnologie, les matériaux intelligents, les matériaux pour la microélectronique, les matériaux photoniques et optiques. Plus précisément, l'activité de l'équipe Stockage et Transformation Electrochimique de l'Energie (ST2E) dans laquelle se fera le travail (site Lombarderie de l'IMN) repose sur la synthèse et la caractérisation des matériaux et sur l'analyse des mécanismes intervenant dans le fonctionnement des dispositifs de stockage ou de transformation électrochimique de l'énergie. Joel Gaubicher est directeur de recherche au CNRS et Ivan Lucas est Maître de conférence à Sorbonne Université. L'étudiant(e) sera inscrit(e) à l'école doctorale 3M (Matière, Molécules et Matériaux) de Nantes Université.

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

Risques inhérents au travail dans un laboratoire de chimie.
Des déplacements de quelques jours en France (Grenoble) et en Espagne (Vitoria Gaetz) sont à prévoir

Informations complémentaires

Le/la candidat(e)s doivent être titulaires d'un master dans une discipline pertinente de la chimie, de la science des matériaux ou issu(e) d'une école d'ingénieur généraliste. L'intérêt et l'enthousiasme pour les techniques avancées de caractérisation physique et l'électrochimie seront un avantage. Les candidat(e)s doivent être très motivé(e)s, ouverts d'esprit, dynamiques et avoir l'esprit d'équipe pour travailler avec les post-doctorants et les étudiants en master du projet. Ils/Elles doivent avoir de bonnes capacités d'organisation et de communication. Ce travail de thèse sera au cœur d'un projet ANR de 3,5 ans impliquant trois partenaires (le CEISAM et le CEA en France ainsi que le CIC Energigune en Espagne).