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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-19-0554

DOMAINE DE RECHERCHE
Matière molle et fluides complexes / Physique de l'état condensé, chimie et nanosciences
INTITULÉ DU SUJET Français English

Batterie au Li-métal à électrolyte hybride avec conduction par ions lithium uniquement

RÉSUMÉ DU SUJET

Aujourd'hui et dans les années à venir, le développement des batteries à haute performance, sûre et à faible coût est la clé pour l'expansion des industries et des marchés importants tels que les véhicules électriques et les énergies renouvelables. La technologie de batterie au lithium-métal polymère (LMP) est sans doute la plus attrayante. Le lithium métal est l’anode de choix avec sa capacité spécifique 10 fois plus élevée que celle utilisée dans les batteries Li-ion, pour produire des batteries de très haute densité d’énergie. De plus, le lithium métal est le seul choix pour profiter des capacités élevées des technologies lithium-air et lithium-soufre. Cependant, les électrolytes polymères secs ne fonctionnent qu’à 80°C, une température où les propriétés mécaniques sont insuffisantes et leur fenêtre de stabilité électrochimique est limitée. Comme pour les électrolytes liquides, la fraction de charge portée par Li+ est faible (t+< 0.2), ce qui limite les performances électriques.

Dans ce contexte, le principal objectif de la thèse est de développer une batterie LMP capable de fonctionner à température ambiante sur un grand nombre de cycles (> 1000). Pour atteindre cet objectif, nous proposons une approche multidisciplinaire réunissant différentes compétences dans les domaines de chimie organique et polymère, de matériaux hybrides, de transport des ions, d’électrochimie et de stockage électrochimique pour concevoir un électrolyte solide multifonctionnel « révolutionnaire ». Cet électrolyte réunit les différentes propriétés antagonistes telles que une conductivité ionique élevée à température ambiante, des propriétés mécaniques élevées, une grande stabilité électrochimique des interfaces.

Le projet de thèse est donc consacré à :

•La fonctionnalisation de la surface des nano-charges, par exemple oligomères de silsesquioxanes polyédriques (POSS), silice colloïdale ou nano-fibres de cellulose, avec les courtes chaines de polyoxyéthylènes (POE) amorphe et/ou avec le sel de lithium à base de l’anion TFSI .

•La formulation des électrolytes hybrides auto-dopés par le mélange de nano-charges fonctionnalisées avec une matrice conducteur d’ion Li+ (par exemple les POE réticulés).

•La caractérisation approfondie des électrolytes nano-hybrides préparés qui comprend la dispersion des nano-charges dans la matrice de polymère, la dynamique (macro)moléculaire et les propriétés macroscopiques (transport et mécanique). Ces caractérisations permettent d’établir la relation entre la structure/composition et les propriétés macroscopiques.

•La construction d’un prototype de batterie LMP pour quantifier les nouveaux électrolytes nano-hybrides.

Les électrolytes hybrides auto-dopés proposés auront (i) une valeur de tLi+ proche de 1 parce que l’anion est greffé de manière covalente aux nano-charges. Li+ est le seul ion mobile dans le milieu ; (ii) une conductivité ionique élevée (par exemple =10-4 S/cm à température ambiante) grâce aux mobilités élevées des chaines courtes de POE greffées à la surface de nano-charges ainsi qu’à l’emploi d’un sel lithium hautement dissocié ; (iii) des propriétés mécaniques suffisantes pour contrer la croissance dendritique grâce au rôle de renfort des nano-charges et au réseau réticulé de la matrice conducteur d’ion ; (iv) une stabilité électrochimique élevée jusqu’à 5V vs Li+/Li (potentiel nécessaire pour utiliser les matériaux actifs de haut potentiel dans l’assemblage de la batterie) du fait du greffage de l’anion ; (v) une stabilité thermique améliorée pour la sécurité grâce à la présence de nano-charges, en particulier les POSS.

Ce projet sera mené en collaboration étroite entre le Laboratoire Léon Brillouin (DRF/IRAMIS) au CEA Saclay, le Laboratoire d’Electrochimie et de physicochimie des matériaux et des interfaces (LEPMI/Grenoble INP) à Grenoble et l’Institut de Chimie Radicalaire (Université Aix-Marseille) de Marseille.

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

physico-chimiste

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut rayonnement et matière de Saclay
Laboratoire Léon Brillouin
Groupe de Diffusion Neutron Petits Angles
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/10/2019
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Jacques JESTIN  

CNRS
LLB01/Laboratoire de Diffusion Neutronique
CEA/Saclay

Téléphone : +33 6 61 47 68 25

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
Sciences Chimiques: Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes (2MIB)
DIRECTEUR DE THÈSE

Jacques JESTIN

CNRS
LLB01/Laboratoire de Diffusion Neutronique
CEA/Saclay