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Thèse en Nano-caractérisation de systèmes électrochimiques Li-ion par traçage isotopique du lithium(H/F)

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

Date Limite Candidature : vendredi 4 février 2022

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Informations générales

Référence : UMR6502-NICDUP-001
Lieu de travail : NANTES
Date de publication : vendredi 14 janvier 2022
Nom du responsable scientifique : Nicolas Dupré
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 avril 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Grace à leurs très fortes densités d'énergie et leur longue durée de vie, les batteries lithium-ion (Li-ion) sont devenues en quelques années une des technologies de stockage de l'énergie les plus prometteuses. Or, des applications se développant, telles que le véhicule électrique ou les réseaux électriques intelligents, nécessitent de la part des batteries Li-ion, non seulement des densités d'énergie et des rétentions de capacités en cyclage toujours plus élevées mais également des critères de sécurité accrus.
Parmi les matériaux candidats d'électrode négative, le silicium représente l'une des alternatives au graphite les plus attractives en raison de son abondance naturelle, de ses importantes capacités spécifiques (3579 mAh.g-1 contre 372mAh.g-1 pour le graphite). Le silicium est au centre, depuis une dizaine d'années, d'un nombre croissant d'études. Les études précédentes ont mis en évidence la dégradation continue de l'électrolyte liquide à la surface des particules de silicium, responsable de la dégradation et de la fin de vie de la batterie. Il apparait donc nécessaire de comprendre et contrôler les réactions parasites dégradant le sel et les solvants de l'électrolyte ainsi que la composition de la couche de passivation à la surface pour optimiser le comportement des batteries.
La thèse proposée s'inscrit dans un projet ANR, en collaboration avec le CEA-LITEN (Grenoble) et le LIST(Luxembourg). Au cours de ce travail de thèse, la dynamique de formation et d'évolution des couches de passivation sera caractérisée en suivant la mobilité et le piégeage des ions Li, dans le cas de demi-cellules silicium et silicium-graphite. L'impact de la pré-lithiation du silicium sur l'évolution de la couche de passivation et des performances électrochimiques, liées aux propriétés de transport du Li sera évaluée ensuite pour les cellules complètes silicium/NMC. L'objectif principal de cette thèse sera de combiner différentes techniques de caractérisation (RMN mais également XPS, mesures d'impédance, microscopie et mesures électrochimiques) pour obtenir des informations à la fois qualitatives et quantitatives sur la composition chimique et les propriétés physico-chimiques de la couche de passivation.
L'objectif de la thèse, dans le cadre du projet ANR, est de développer une méthodologie basée sur les techniques RMN solide et liquide en 7Li et 6Li et le traçage du lithium pour mieux comprendre sa mobilité dans la couche de passivation/matériau d'électrode et d'en étudier le piégeage à travers une description détaillée du phénomène. Des analyses de spectroscopie XPS et de profilométrie seront réalisées à la surface des électrodes afin d'obtenir des informations complémentaires concernant la structure chimique de la couche de passivation. Le ToF-SIMS sera également utilisé à la surface des échantillons et dans des coupes transversales (obtenues par FIB in situ), afin de caractériser le rapport isotopique du lithium dans différentes parties des électrodes analysées.

Contexte de travail

L'IMN est un laboratoire commun CNRS/Université de Nantes (UMR CNRS 6502) sur la chimie et la physique des matériaux à l'état solide, et est composé de 5 équipes avec 75 chercheurs permanents, 40 personnels techniques et administratifs et 75 doctorants et post-docs. Le/la doctorante sera inscrit(e) à l'école doctorale 3M (Matériaux Matières Molécules) et sera rattaché à l'équipe Stockage et Transformation Electrochimique de l'Energie (STEE). Le travail de recherche se déroulera à l'IMN (Nantes, https://www.cnrs-imn.fr/) pendant 18 mois puis au CEA-LITEN pendant la deuxième moitié de la thèse. L'étudiant-e pourra se former et travaillera avec les techniques suivantes : préparation et cyclage d'électrodes, mesures électrochimiques, RMN liquide et solide, XPS, ToF-SIMS, TEM, MEB.

Contraintes et risques

De courts séjours au LIST sont également prévus.

Informations complémentaires

Le/la candidat-e devra être titulaire d'un Master en Sciences des Matériaux ou Chime des Matériaux.
Ii ou elle devra également disposer des compétences suivantes : maitrise de l'anglais, avoir des connaissances en cyclage électrochimique et tests de batteries et avoir une expériance en caractérisation des matériaux, pouvoir travailler en équipe et être proactif-ve.

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