Description du sujet de thèse

Contexte : Pour maximiser les performances et la durée de vie des batteries, il est crucial de comprendre et de surveiller les mécanismes qui régissent leur fonctionnement tout au long de leur existence. En particulier, les phénomènes de transport des ions Li(Na) dans l'électrolyte provoquent des hétérogénéités dans les taux d'intercalation des électrodes, conduisant à des phénomènes de polarisation et à une diminution de la capacité. De plus, ils peuvent aussi causer l'électrodéposition de lithium métal sur la surface de l'électrode négative, entraînant alors des risques de courts-circuits. Par conséquent, les gradients de concentration en ions dans les électrodes et l’électrolyte (orientation à travers le plan) ont été largement étudiés en utilisant diverses techniques telles que la radiographie, la spectroscopie Raman, et la spectroscopie RMN. Cependant, ce n'est que récemment que des chercheurs ont commencé à étudier le mouvement de l'électrolyte et son impact sur la concentration en lithium dans la direction du plan. En particulier, Solchenbach et al., en employant des calculs de volume de pores et des mesures de moment d'inertie, ont pu observer le mouvement de l'électrolyte et les gradients de concentrations dans une batterie cylindrique commerciale [1]. Ce phénomène auparavant non identifié, appelé "electrolyte motion induced salt inhomogeneity" (EMSI), a pu être directement corrélé à la dégradation des batteries. Bien que cette étude ait permis de mettre en évidence ce nouveau phénomène de dégradation, elle est limitée par l'absence de données expérimentales en temps et condition réel (operando), nécessaires pour évaluer l’aspect dynamique du transport des ions. Dans ce contexte, le laboratoire CSE utilise depuis plusieurs années des capteurs à fibres optiques pour surveiller divers paramètres physiques et chimiques dans les batteries [2]. Par exemple, les capteurs à réseau de Bragg à fibre inclinée (TFBG), ont été utilisés pour surveiller la cinétique du transport de masse et la croissance des dendrites de lithium aux interfaces de l'anode en lithium [3]. Par ailleurs, la spectroscopie infrarouge déportée par onde évanescente (IR-FEWS) a été employée pour observer les gradients de concentration de lithium et les processus de désolvatation à travers différents modèles de cellules [4].

Objectif du doctorat : S'appuyant sur ces recherches préliminaires, l’objectif de la thèse est d'exploiter les capacités combinées de ces techniques spectroscopiques par fibre optique pour explorer la dynamique de l'électrolyte à travers et au sein de l'orientation du plan de la cellule. Grâce à l'application de ces techniques optiques, nous explorerons l'impact de divers paramètres susceptibles d'influencer le mouvement de l'électrolyte et des ions, ainsi que leur effet sur les performances des batteries. Ainsi, le régime de charge et de décharge de la cellule, le volume d'électrolyte et la proportion de silicium dans l'anode seront étudiés. Des visualisations 3D par tomographie aux rayons X synchrotron pourront ainsi être réalisées, afin d'observer les changements de volume au niveau de l'électrode qui induisent le mouvement de l'électrolyte.

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

[1] S. Solchenbach, C. Tacconis, A.G. Martin, V. Peters, L. Wallisch, A. Stanke, J. Hofer, D. Renz, B. Lewerich, G. Bauer, M. Wichmann, D. Goldbach, A. Adam, M. Spielbauer, P. Lamp, J. Wandt, Electrolyte motion induced salt inhomogeneity – a novel aging mechanism in large-format lithium-ion cells, Energy Environ. Sci. 17 (2024) 7294–7317.

[2] J. Huang, L. Albero Blanquer, J. Bonefacino, E.R. Logan, D. Alves Dalla Corte, C. Delacourt, B.M. Gallant, S.T. Boles, J.R. Dahn, H.-Y. Tam, J.-M. Tarascon, Operando decoding of chemical and thermal events in commercial Na(Li)-ion cells via optical sensors, Nat. Energy 5 (2020) 674–683.

[3] X. Han, H. Zhong, K. Li, X. Xue, W. Wu, N. Hu, X. Lu, J. Huang, G. Xiao, Y. Mai, T. Guo, Operando monitoring of dendrite formation in lithium metal batteries via ultrasensitive tilted fiber Bragg grating sensors, Light Sci. Appl. 13 (2024) 24.

[4] C. Gervillié-Mouravieff, C. Boussard-Plédel, J. Huang, C. Leau, L.A. Blanquer, M.B. Yahia, M.-L. Doublet, S.T. Boles, X.H. Zhang, J.L. Adam, J.-M. Tarascon, Unlocking cell chemistry evolution with operando fibre optic infrared spectroscopy in commercial Na(Li)-ion batteries, Nat. Energy 7 (2022) 1157–1169.

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.

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