Modélisation et caractérisation d’électrodes positives à base de verres pour accumulateurs Li-Ion et Na-Ion

Résumé

Dans le but d’acquérir une compréhension plus approfondie de l'influence des métaux de transition, des formateurs de verre et des conditions de synthèse sur les performances électrochimiques du matériau de cathode, une thèse en collaboration avec le CEA (Marcoule et Grenoble) et l’Université Nationale de Singapour est proposée. L’étude visera à combiner différentes approches de simulation et de techniques expérimentales, telles que l’Apprentissage Machine pour concevoir des matériaux cathodiques encore plus performants, la modélisation informatique couplée à des techniques de caractérisation in situ/operando avancées, et enfin l’élaboration et l’évaluation des performances des matériaux synthétisés.  

Les cathodes amorphes pour batteries Li-ion connaissent un regain d’intérêt grâce à leurs capacités pratiques pouvant dépasser celles des matériaux cathodiques à base d’oxyde commerciaux conventionnels. Malgré des tensions de cellule légèrement inférieures, cela pourrait conduire à des améliorations significatives de la densité énergétique. Néanmoins, les matériaux cathodiques amorphes connus sont toujours confrontés à de sérieux défis qui les empêchent d’être appliqués dans la pratique : i) Capacité irréversible élevée, ii) Faible conductivité électronique, iii) Cyclabilité limitée, iv) Manque de compréhension des phénomènes impliqués en raison de leur état amorphe, v) Compositions de cathodes vitreuses généralement à base de vanadium toxique.

L’objectif de la thèse est de développer des électrodes positives à haute densité énergétique à base de verre pour batteries Li-ion et Na-ion, présentant la plus faible teneur en matériaux critiques, et d’établir un lien entre leurs propriétés microstructurales et leurs performances électrochimiques.

Pour cela, la thèse s’articulera autour de trois taches principales :

1. Exploration et modélisation de matériaux cathodiques par Intelligence Artificielle (IA),
2. Synthèse, caractérisation microstructurale et mesures des propriétés physiques des verres sélectionnés à la tache 1 (DRX, MEB/EDS, ATD/ATG, mesures de conductivités ionique et électronique par SIE et chronoampérométrie)
3. Caractérisation électrochimique (cyclage galvanostatique, voltampérométrie cyclique et/ou SIE avec mesure des coefficients de diffusion des alcalins dans le verre) et couplage avec DRX et RMN lors de mesures operando.

La tache 1 sera réalisée à l’Université Nationale de Singapour, la tâche 2 au CEA de Marcoule et la tâche 3 au CEA de Grenoble et à l’Université Nationale de Singapour. Le doctorant répartira son temps sur les trois sites avec une mobilité à Singapour d’un an au maximum.

Cette thèse permettra au candidat.e d’acquérir une expérience professionnelle multidisciplinaire valorisable dans des domaines allant de l’intelligence artificielle, des verres au stockage électrochimique de l’énergie. Il développera des compétences sur la modélisation, les matériaux et l’électrochimie. De plus, grâce à son environnement de travail, il pourra assimiler une culture sur le conditionnement des déchets nucléaires.

Formation demandée

Diplôme bac +5 en chimie, physique, science des matériaux.

Expérience demandée

Maîtrise de Python ou de langages de programmation similaires - Autonome et motivé.e - Goût pour l'expérimental indispensable - Intérêt général pour la physique ou la science des matériaux - Une expérience dans les verres ou les batteries serait un plus - Maîtrise de l'anglais (langue de travail à l'Université Nationale de Singapour)