Description du sujet de thèse

Contexte : À mesure que les demandes énergétiques mondiales et que l'utilisation des ressources non renouvelables s'intensifient, les ressources renouvelables et les véhicules électriques nécessitent des batteries plus avancées pour stabiliser ce nouveau paysage énergétique. Cependant, pour optimiser les performances des batteries et prolonger leur durée de vie, il est essentiel de comprendre et de surveiller les mécanismes fondamentaux qui régissent leur fonctionnement tout au long de leur cycle de vie. Depuis 2020, le Laboratoire de Chimie du Solide et de l'Énergie du Collège de France est devenu l'un des leaders dans la caractérisation operando des batteries. En utilisant des capteurs optiques, à la fois petits et polyvalents, nous pouvons suivre en temps réel les propriétés thermiques, mécaniques et chimiques des batteries. Notamment, l'intégration de la spectroscopie infrarouge par onde évanescente déportée par fibre optique (IR-FEWS) dans des cellules commerciales de sodium-ion 18650 a permis une surveillance en direct de la réduction de l'électrolyte de la batterie dans des conditions réelles. Ces fibres, faites de verre de chalcogénide (Te2As3Se5 ou TAS), permettent une transmission efficace de la lumière infrarouge de 3 à 13 μm et la génération d'une onde évanescente à la surface de la fibre. Comme dans la spectroscopie d'absorption classique, cette onde peut être absorbée par les molécules situées à proximité de la fibre, permettant ainsi leur étude à l'intérieur des cellules.

Objectif : Sur la base de ces résultats préliminaires, l'objectif du projet de thèse est d'utiliser la spectroscopie infrarouge pour améliorer le diagnostic des réactions chimiques et des formations d'interfaces des batteries en temps réel. Plus spécifiquement, l'accent sera mis sur l'étude par IR-FEWS de l'évolution des électrolytes et de la formation de produits parasites — qu'ils soient solubles, solides (à l'interface) ou gazeux — pendant le fonctionnement de la batterie. Couplée à des méthodes de quantification telles que la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (ICP-MS) et la titration par chromatographie en phase gazeuse (TGC), cette approche permettra d'obtenir une compréhension plus holistique de la dynamique chimique au sein de la batterie. Nous corrélerons ensuite ces observations avec les données de cyclage à long terme des batteries pour élucider les facteurs qui affectent la longévité et la performance des batteries. La méthodologie sera utilisée pour pousser le développement de nouvelles formulations d'électrolytes et de protocoles de formation, qui sont plus courts, optimisés, plus fiables et adaptés à différents matériaux actifs et électrolytes.

Profil du candidat : Diplôme d'ingénieur ou master en physique ou chimie. Le candidat doit avoir une forte aptitude pour l'expérimentation et être capable de s'adapter à des problèmes de différents domaines. La maîtrise de l'anglais et des compétences en programmation Python sont requises

Contexte de travail

Le laboratoire CSE possède une expertise dans le domaine des batteries, avec parmi ses principales réalisations la recherche de nouveaux mécanismes de réactivité du Li, la maîtrise des interfaces, l'assemblage de cellules, l'exploration d'autres chimies au-delà des Li-ion telles que les Na-ion et les batteries tout solide. Le laboratoire est aussi expert dans l’intégration des fibres optiques dans les batteries pour le suivi de processus physico-chimiques dans des conditions réelles.
Le travail de thèse s’inscrit dans le projet SENSIGA faisant parti de l’initiative Batterie2030. Dans ce contexte, des collaborations seront réalisées avec le laboratoire PHENIX afin de complémenter les résultats expérimentaux par des calculs théoriques. Par ailleurs, une expertise sur les fibres infrarouges sera fournie par l'Institut des Sciences Chimiques de Rennes (ISCR), tandis que l'expertise en modélisation de la santé des batteries sera offerte par le CEA