Description du sujet de thèse

Nouveaux matériaux d'électrodes négatives pour les batteries de forte puissance tout solide

Les batteries à l'état solide sont actuellement étudiées par de nombreux groupes dans le monde dans le but de proposer dans un avenir proche des dispositifs de stockage d'énergie avec une sécurité accrue et une densité énergétique améliorée. Cependant, le maintien d'une bonne densité d'énergie est un défi pour ces systèmes. Les électrodes négatives métalliques (lithium ou sodium) ont été très étudiées, mais les électrodes alternatives utilisant par exemple des oxydes ou des composés intermétalliques ont reçu moins d'attention jusqu'à présent. Dans ce projet de thèse, nous souhaitons cibler la synthèse et l'utilisation d'oxydes à base de niobium en raison de leurs structures cristallographiques particulières permettant l'insertion de cations Li+ et/ou Na+ sans limiter la diffusion de ces ions dans le matériau, grâce à la présence de larges tunnels. En effet, les propriétés d'échange d'ions d'une série de matériaux (KTiNbO5, Cs0.5Nb2.5W2.5O14, Rb2TiNb6O18) ont déjà été étudiées dans des électrolytes liquides dans le but de remplacer les ions K+, Cs+, Rb+ par des protons ou H3O+. Chaque oxyde protoné présente de bien meilleures propriétés d'insertion du Li+ que son analogue à base d'ions alcalins. La conception d'une architecture intermétallique poreuse a également permis d'améliorer la capacité de cyclage des batteries Li-ion.
Dans le but d'augmenter la densité de puissance des batteries à l'état solide, ces matériaux seront étudiés avec différents électrolytes solides. En outre, la synthèse de composés innovants sera développée afin d'améliorer la capacité de puissance de ces nouveaux types de batteries.
Un large éventail de méthodes de caractérisation sera utilisé pour étudier les propriétés structurales et microstructurales des composés synthétisés et leur couplage avec des électrolytes solides sera évalué par des techniques électrochimiques. Des dispositifs complets seront assemblés avec les électrodes négatives les plus intéressantes et d'autres matériaux développés dans le cadre de ce projet découlant d'autres thèses simultanées développées dans le cadre du projet HIPOBAT. Dans le cadre du vaste et ambitieux projet franco-allemand HIPOBAT, notre ambition est de proposer des matériaux pour les technologies de rupture, dans le contexte de l'amélioration de la densité énergétique et des dispositifs de stockage de l'énergie.
Activités
- Préparer des électrodes négatives à base d'oxydes niobium avec une structure en tunnel de grande taille.
- Préparer des électrodes négatives basées comportant une structure intermétallique poreuse.
- Étudier les propriétés structurales et microstructurales de ces composés ainsi que leur comportement électrochimique dans différents types d'électrolytes.
- Sélectionner les matériaux d'électrode les plus prometteurs pour les coupler avec des électrolytes solides et des électrodes positives provenant d'autres partenaires du projet HIPOBAT.
- Évaluer les performances des cellules complètes.

Contexte de travail

Le laboratoire d'accueil est l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN, UMR 6502, http://www.cnrs-imn.fr). L'IMN est un centre de recherche commun au CNRS et à Nantes Université, composé de plus de 200 personnes dont plus de 120 permanents (professeurs, chercheurs CNRS, ingénieurs) et environ 80 doctorants et post-doctorants. Le(la) doctorant(e) sera supervisé(e) à la fois par un Professeur et un maitre de conférences de l'équipe Stockage et Transformation Electrochimiques de l'Energie (ST2E).

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

Compétences attendues
Le(la) candidat(e) devra :
- être titulaire d'un master en chimie des matériaux ou équivalent, ou diplôme d'ingénieur en sciences des matériaux;
- présenter de bonnes aptitudes de communication orale et écrite (français et anglais);
- avoir un esprit d'analyse et de synthèse, capacité à argumenter;
- savoir travailler en équipe;
- présenter une volonté d'engagement dans un contexte international de haut niveau.
Des déplacements en Allemagne sont à prévoir durant la thèse.