Doctorant (H/F) Science des Matériaux, Chimie des Solutions, Batteries tout solide Li-ion - Electrolytes

Description du Poste

Sujet De Thèse

Sujet de thèse
Titre : Synthèse en milieu aqueux de nouveaux oxythiobimétallates de lithium Li8-(n+m)M1n+1-yM2m+yS4-xOx (M1, M2 = P, Sb, Mo, W) - Vers des conducteurs ioniques à base de soufre, stables dans des conditions humides

Contexte et objectifs
Face à l’augmentation de la demande énergétique mondiale, à l’électrification croissante des transports et aux impératifs de transition bas-carbone, il devient essentiel d’optimiser l’utilisation des énergies renouvelables et de concevoir des systèmes de stockage d'énergie fiables et durables
Actuellement, en matière de stockage d'énergie, la technologie des batteries lithium-ion couvre la plupart des besoins du marché (véhicules, téléphones portables, ordinateurs portables, etc.). Cependant, ces systèmes de stockage nécessitent des améliorations, notamment en termes de sécurité et de densité énergétique. Ces aspects peuvent être améliorés en remplaçant l'électrolyte liquide par un composant solide (1), ce qui fait des « batteries tout solide » la technologie de stockage d'énergie électrochimique de nouvelle génération. Cependant, leur développement reste dépendant de la conception de conducteurs ioniques solides ayant des conductivités ioniques d'environ 10-3 S/cm, proches de celles des électrolytes liquides (10-2 S/cm) (1).
Plusieurs familles d'électrolytes solides sont à l'étude en raison de la difficulté à satisfaire simultanément les critères de performance requis (densité énergétique, puissance, sécurité, stabilité de l'interface, durée de vie, coût, impact environnemental, etc.) (2). Les électrolytes solides à base de soufre sont particulièrement intéressants en raison de leur conductivité ionique supérieure (10-3 S/cm) et de leurs propriétés mécaniques répondant à un assemblage à froid des différents composants qui constituent le dispositif de stockage (3). Cependant, ils présentent une faible stabilité chimique vis-à-vis de l'humidité (formation possible de gaz toxique (H2S)), et une forte réactivité avec le lithium métallique. Une substitution partielle du soufre (S) par de l'oxygène (O) permet de remédier à ces problèmes comme il a pu être démontré avec les électrolytes solides thiophosphates Li3PS4 et Na3PS4 (5, 6).
Le sujet de la thèse consistera à étudier et à synthétiser des électrolytes solides à base de lithium, tels que les thiométallates Li8-nMn+S4 (M = Sb, W, Mo) et les oxithiométallates Li8-(n+m)M1n+M2m+S4-xOx (M1,M2 = P, Sb, W, Mo) afin de relever le défi que représente le développement de nouvelles phases conductrices d'ions lithium qui pourraient constituer des électrolytes solides prometteurs pour les batteries tout solide. L'objectif principal sera de préparer ces phases par chimie des solutions, une voie de synthèse qui permet de concevoir des compositions chimiques spécifiques et de contrôler, ajuster la microstructure des matériaux. Cette méthode permet également la production en masse des matériaux. Des caractérisations physico-chimiques et électrochimiques complètes de tous les matériaux seront effectuées afin d'établir des relations claires entre la structure et les propriétés des composés développés. En parallèle, une étude des matériaux d'électrodes sera également menée afin de concevoir des cellules présentant des performances intéressantes (compatibilité d'interface, cyclage, durée de vie, etc.).

Références
(1) Janek, J.; Zeier, W. G. A Solid Future for Battery Development. Nat. Energy 2016, 1 (9), 1–4.
(2) Manthiram, A.; Yu, X.; Wang, S. Lithium Battery Chemistries Enabled by Solid-State Electrolytes. Nat. Rev. Mater. 2017, 2 (4), 1–16.
(3) Wang, C.; Adair, K.; Sun, X. All-Solid-State Lithium Metal Batteries with Sulfide Electrolytes: Understanding Interfacial Ion and Electron Transport. Acc. Mater. Res. 2022, 3 (1), 21–32.
(4) Liu, Z.; Fu, W.; Payzant, E. A.; Yu, X.; Wu, Z.; Dudney, N. J.; Kiggans, J.; Hong, K.; Rondinone, A. J.; Liang, C. Anomalous High Ionic Conductivity of Nanoporous β-Li3PS4. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135 (3), 975–978.
(5) Neveu, A.; Pelé, V.; Jordy, C.; Pralong, V. Exploration of Li–P–S–O Composition for Solid-State Electrolyte Materials Discovery. J. Power Sources 2020, 467, 228250.
(6) Kmiec, S.; Krupp, K.; Ruoff, E.; Manthiram, A. Effects of Oxide Precursors on the Structure and Properties of Na3PS4–xOx Glassy Solid Electrolytes. Chem. Mater. 2024.

Profil recherché
Le candidat doit être titulaire d'un MASTER 2 ou d'un diplôme d'ingénieur en chimie, électrochimie ou science des matériaux.

Compétences attendues
Des connaissances en stockage d'énergie et de matériaux pour batteries sont requises. Nous recherchons un candidat sérieux et très motivé. Le candidat retenu devra démontrer sa capacité à travailler dans un environnement collaboratif, car le projet sera supervisé conjointement par deux partenaires (Amiens, Paris).

Compétences appréciées
Un intérêt pour la chimie des solutions et la cristallographie seront un atout. Une expérience préalable en électrochimie (assemblage de batteries, cyclage, spectroscopie d'impédance) ou des compétences en spectroscopie RMN et/ou en techniques de diffraction des rayons X seraient un plus.

Votre Environnement de Travail

Le Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides (LRCS), Unité Mixte de Recherche dynamique entre le CNRS et l'Université de Picardie Jules Verne, est situé à Amiens. Il héberge plus de 130 personnes, de 25 nationalités différentes, qui travaillent principalement sur les technologies du stockage électrochimique d'énergie (batteries) et de conversion de l’énergie solaire (photovoltaïque).
Le Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris (LCMCP) est reconnu dans le domaine des sciences des matériaux pour l'élaboration de matériaux inorganiques et hybrides fonctionnels, et l'évaluation de leurs propriétés physico-chimiques à plusieurs échelles. Le laboratoire rassemble toutes les facettes de la chimie des matériaux avec un lien étroit entre les méthodes de synthèse et le traitement des matériaux. Ces matériaux ciblent des applications ayant un fort impact sociétal dans les domaines de l'énergie, de la santé et de l'environnement.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

Transport

Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

À propos de l’offre

À propos du CNRS

Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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