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Synthèse et caractérisations d'Electrolytes Solides et leur intégration dans des Batteries Tout-Solide H/F

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Français - Anglais

Date Limite Candidature : lundi 26 octobre 2020

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Informations générales

Référence : UMR7314-VIRVIA-005
Lieu de travail : AMIENS,AMIENS
Date de publication : lundi 5 octobre 2020
Nom du responsable scientifique : VIALLET
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 2 novembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le but de ce travail de thèse collaboratif entre un partenaire industriel et le LRCS à l'Université de Picardie Jules Verne d'Amiens comporte deux grands axes.
Le premier est la préparation et la caractérisation d'une part, de matériaux électrolytes solides (déjà identifiés), par des méthodes simples (broyage mécanique sans post-traitement thermique ou par voie en solution, idéalement l'eau) et l'étude de substitution aliovalente.
Le second est la préparation d'électrodes composites optimisées et leur intégration dans des batteries tout solide.

Le candidat commencera par faire une étude bibliographique. La littérature foisonne, depuis 5-10 années environ, d'études sur les batteries tout solide et sur les électrolytes solides, composants essentiels de ces dispositifs. Il est important de faire un suivi régulier et d'avoir une connaissance approfondie de la bibliographie et le LRCS dispose de tous les outils nécessaires à la gestion de cette masse importante d'information.
Le candidat procèdera ensuite à la synthèse des électrolytes. Différentes voies seront explorées incluant des synthèses par broyage mécanique, à l'état-solide, par précipitation ou co-précipitation pour obtenir les phases. Des substitutions aliovalentes seront effectuées afin d'améliorer la stabilité à l'humidité.
La stabilité chimique des électrolytes solides, sous air et en fonction de l'humidité et de la température, sera étudiée. Les caractérisations physicochimiques incluront la Diffraction, à l'échelle du laboratoire mais aussi avec des accès aux grands instruments, que ce soit en diffraction des Rayons X au Synchrotron ou des neutrons, à température variable (dans le but de sonder des transitions ordre-désordre). Des analyses par Microscopie Electronique à Balayage (MEB) et en Transmission (TEM) seront utilisées pour caractériser la morphologie, la taille et la microstructure des particules.
Des analyses complémentaires des environnements du lithium, des paramètres structuraux locaux et des mécanismes de diffusion seront menées par Spectroscopie Raman et par Spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire RMN à l'état solide en collaboration avec la plate-forme du Réseau sur le Stockage Électrochimique de l'Énergie (RS2E).
Les conductivités ioniques et l'énergie d'activation seront caractérisées par spectrométrie d'impédance électrochimique. La fenêtre de stabilité électrochimique des conducteurs ioniques les plus prometteurs sera déterminée. Toutes ces caractérisations seront effectuées au LRCS.

Les conducteurs ioniques seront testés en tant qu'électrolytes solides dans des batteries tout-solide. Des électrodes positives composites, mélange de matériau actif commercial, d'électrolyte et de conducteur ioniques seront préparées et leurs performances électrochimiques seront caractérisées en demi-cellule ou en cellule complète dans des dispositifs développés au LRCS.

Contexte de travail

Le LRCS (UMR CNRS/UPJV 7314) est un laboratoire de recherche sur le stockage et la conversion de l'énergie. 35 scientifiques expérimentés (enseignants chercheurs et chercheurs CNRS) et 45 jeunes chercheurs travaillent sur les batteries d'aujourd'hui et de demain, sur le photovoltaïque et le stockage de l'hydrogène. Le Laboratoire fonctionne également grâce à l'appui technique et administratif fort d'une quinzaine de personnels BIATSS.

Le Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides (LRCS) a été créé en 1968 par le Professeur Michel FIGLARZ, spécialiste renommé de la synthèse de nouveaux matériaux en solution ou par « chimie douce », qui a induit une forte compétence en microscopie électronique. A l'arrivée du Professeur Jean-Marie TARASCON en 1994, le LRCS s'est tourné vers les matériaux pour le stockage et la conversion de l'énergie. Depuis 2000, Le LRCS est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Picardie Jules Verne. Le LRCS est dirigé depuis 2008 par Mathieu MORCRETTE.

L'addition des compétences en chimie de synthèse, en électrochimie, en mise en forme de matériaux et en techniques de caractérisations, permet au jour le jour de proposer de nouvelles solutions pour améliorer les systèmes de stockage et de conversion de l'énergie tels que les batteries rechargeables (lithium-ion, lithium-air, lithium- soufre, sodium-ion, tout solide...), le stockage de l'hydrogène ou les cellules photovoltaïques à colorant. Les travaux de recherche portent sur la synthèse et l'étude les matériaux (inorganiques, organiques et polymères) qui constituent ces systèmes et ce jusqu'à leur possible application industrielle.
Le LRCS héberge, au sein du HUB de l'énergie depuis Février 2017 (6000 m2), une équipe de chercheurs, enseignants, ingénieurs, techniciens et administratifs d'une vingtaine de nationalités différentes (36 permanents et 65 non-permanents). Les chercheurs et enseignants-chercheurs du CNRS et de l'UPJV sont des spécialistes de la synthèse des matériaux, de l'électrochimie, de la chimie organique, de la formulation, de la modélisation multi échelles. L'équipe réalise ses objectifs grâce à de nombreux équipements de pointe en caractérisation (diffraction X, microscopie électronique, spectroscopie / spectrométrie, mesures photophysiques, …) et en prototypage (calandreuse, machine à enduction, bobineuse de batteries 18650…).
Le LRCS est structuré autour de 5 thématiques : (1) Synthèses, surfaces, interfaces, (2) Cristallochimie et recherche de nouveaux matériaux inorganiques ; (3) Matériaux organiques, hybrides et polymères pour l'énergie ; (4) Électrochimie et optimisation des dispositifs pour le stockage électrochimique et (5) Photo-électrochimie et dispositifs photovoltaïques. Nos activités visent à développer des recherches ambitieuses, de l'atome au prototype pré-industriel, des batteries Li-ion aux cellules à colorant. Ces thématiques sont volontairement décloisonnées pour favoriser l'émergence d'idées originales par des contacts permanents entre chercheurs de domaines différents. Cette structuration conduit à une plus grande flexibilité qui permet de répondre aux enjeux de la recherche moderne : rude concurrence pour les financements, compétition forte avec les équipes internationales (notamment allemandes, anglaise, américaines et chinoises), complexification du métier de chercheur (gestion de projet, communication, entrepreneuriat...) et fortes attentes sociales/industrielles dans notre domaine : le stockage et la conversion de l'énergie.

Expérience en matière de recherche partenariale et en réseaux
Le LRCS est très impliqué dans la recherche partenariale et l'interdisciplinarité. Cette implication se traduit par le partage de ses équipements et par de nombreuses collaborations internationales via notamment le réseau ALISTORE-ERI (8 pays, 5 entreprises, 25 laboratoires) et nationales via le Réseau sur le Stockage Electrochimique de l'Energie (RS2E) (qui regroupe 17 laboratoires, 15 industriels et 3 établissements publics). Les réseaux RS2E et ALISTORE-ERI ont été créés par l'ancien directeur du laboratoire, Jean-Marie Tarascon, et sont dirigés en ce moment, respectivement, par Jean-Marie TARASCON (Collège de France), Patrice SIMON (CIRIMAT Toulouse) et Christian MASQUELIER (LRCS).
Le HUB de l'énergie du RS2E, dont les locaux hébergent le LRCS, a été inauguré le 14 mai 2018. Le HUB abrite également les start-up TIAMAT et G-LYTE, qui bénéficient grâce à cela du savoir-faire et des équipements. Laboratoire de recherche fondamentale sur des sujets appliqués, le LRCS souhaite également faciliter le transfert technologique de la recherche vers l'industrie via l'accueil et l'animation des plateformes de pré-transfert du RS2E (prototypage batteries 18650, sécurité, upscale de la synthèse de matériaux). Le LRCS travaille donc étroitement avec les industriels (RENAULT, SAFT, EDF, SOLVAY, UMICORE, MERSEN, ...). Le LRCS est également fortement impliqué dans plusieurs formations en Licence, Master et Doctorat de l'UPJV, notamment en coordonnant une action CMI (Cursus Master Ingénierie) de l'UFR des Sciences, un Master ERASMUS MUNDUS (MESC+), spécialité du Master de Chimie, et un programme doctoral Marie Curie COFUND (DESTINY).

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