Doctorant en Sciences de Matériaux

Sujet de thèse:
Titre:
Nouvelles stratégies autour des oxydes d’insertion pour électrode négative pour batteries Li-ion de puissance

Contexte et objectifs:
Le développement rapide de la mobilité électrique et du stockage stationnaire impose des batteries lithium-ion capables de supporter des régimes de charge/décharge très élevés, tout en conservant une excellente durée de vie et un haut niveau de sécurité. Les électrodes à base de graphite, bien que dominantes industriellement, présentent des limitations cinétiques et des risques associés à la réduction du lithium lors de charges rapides. Les oxydes de niobium de structure Wadsley–Roth (WRO) constituent des candidats prometteurs présentant une charpente cristallographique ouverte permettant la diffusion rapide du lithium. Ces composés ont cependant deux inconvénients. Tout d’abord, la répétition prolongée des processus électrochimiques peut induire une fatigue structurale (distorsions locales, accumulation de contraintes mécaniques) altérant progressivement la rétention de capacité. Ensuite leur instabilité en-dessous de 1 V limite de fait la capacité de stockage, théoriquement très élevée. Cette thèse vise à dépasser les approches classiques d’optimisation de composition chimique des WRO en explorant de nouvelles stratégies électrode pour améliorer simultanément stabilité mécanique, densité énergétique et performances en charge rapide.

Deux axes originaux et complémentaires seront étudiés:

• Électrodes composites: l’hypothèse centrale est la combinaison de deux matériaux pouvant être actifs électrochimiqument de manière alternée peut permettre une “fenêtre de relaxation mécanique” pour le WRO, en réduisant temporairement son insertion de lithium et donc les contraintes accumulées. Plusieurs oxydes d’insertion seront ainsi considérés, et il sera important d’optimiser la formulation d’électrode (proportions du mélange, morphologie des matériaux) pour maximiser l’effet synergétique en termes de performances électrochimiques.
• Électrodes épaisses: l’objectif est de produire des électrodes autoportées fortement densifiées par « Spark Plasma Sintering » (SPS) afin d’augmenter la densité énergétique volumique, tout en évaluant l’impact de l’architecture (épaisseur, densité, gradients) sur le transport ionique, la polarisation et la tenue mécanique.

Méthodologie et environnement de travail:
Le projet reposera sur une collaboration étroite entre les laboratoires ICGM et LRCS, le tout dans le cadre du Réseau sur le Stockage Electrochimique l’Energie. Le/la doctorant(e) sera inscrit(e) auprès de l’école doctorale Sciences Chimiques Balard, rattachée à l’Université Montpellier. Une grande partie du travail sera effectué à l’ICGM, et des séjours réguliers et pouvant être importants seront organisés au LRCS, selon l’orientation que prendre le projet de recherche. La synthèse des matériaux, les formulations d’électrodes composites s’effectueront

Conditions particulières d'exercice

Le Centre national de la recherche scientifique est l’une des plus importantes institutions publiques au monde: 34 000 femmes et hommes (plus de 1 000 laboratoires et 200 métiers) , en partenariat avec les universités et les grandes écoles, y font progresser les connaissances en explorant le vivant, la matière, l’Univers et le fonctionnement des sociétés humaines. Depuis plus de 80 ans, y sont développées des recherches pluri et interdisciplinaires sur tout le territoire national, en Europe et à l’international. Le lien étroit que le CNRS tisse entre ses missions de recherche et le transfert vers la société fait de lui un acteur clé de l’innovation en France et dans le monde. Le partenariat qui le lie avec les entreprises est le socle de sa politique de valorisation et les start-ups issues de ses laboratoires (près de 100 chaque année) témoignent du potentiel économique de ses travaux de recherche.

Profil recherché

Contraintes et risques:
Projet de recherche à mener entre deux laboratoires: ICG à Montpellier et LRCS à Amiens. Mobilité à prévoir au cours du doctorat, en fonction de l'avancée du projet scientifique.

Présentation de Cnrs

Le Centre national de la recherche scientifique est un organisme public de recherche pluridisciplinaire placé sous la tutelle du ministère de l’Enseignement supérieure et de la Recherche. Créé en 1939 et dirigé par des scientifiques, il a pour mission de faire progresser la connaissance et être utile à la société dans le respect des règles d’éthique, de déontologie et d’intégrité scientifique.