Doctorant en Nanocharacterization par traçage isotopique du lithium pour batteries Li-ion (H/F) — CNRS

Sujet de thèse :

Grâce à leurs densités d'énergie très élevées et à leur longue durée de vie, les batteries lithium-ion (Li-ion) constituent l'une des technologies de stockage d'énergie les plus prometteuses. Le développement d'applications telles que les véhicules électriques ou les réseaux électriques intelligents exige des densités d'énergie accrues et le maintien des capacités au cyclage, tout en imposant des exigences de sécurité renforcées.

Parmi les matériaux candidats pour l'électrode négative, le silicium représente l'une des alternatives les plus intéressantes au graphite en raison de son abondance naturelle et de sa densité d'énergie élevée (3579 mAh/g contre 372 mAh/g pour le graphite). Depuis une dizaine d'années, le silicium fait l'objet d'un nombre croissant d'études. Des travaux antérieurs ont mis en évidence une dégradation continue et incontrôlée de l'électrolyte liquide à la surface des particules de silicium ; ce phénomène joue un rôle majeur dans les mécanismes de défaillance et est responsable de la fin de vie de la batterie.

Il apparaît donc nécessaire de comprendre et de maîtriser les réactions parasites qui dégradent le sel et les solvants de l'électrolyte, ainsi que la composition de la couche de passivation formée en surface, afin d'optimiser le comportement des batteries.

La thèse proposée s'inscrit dans le cadre du projet ANR CALISToM, en collaboration avec le CEA-LITEN (Grenoble) et le LIST (Luxembourg). Ces travaux de thèse viseront à caractériser la dynamique de formation et d'évolution des couches de passivation en suivant la mobilité et le piégeage des ions Li, dans le cas de silicium cyclé au sein de demi-cellules et de cellules complètes. L'impact de la pré-lithiation du silicium sur l'évolution de la couche de passivation et sur les performances électrochimiques sera ensuite évalué pour des cellules complètes silicium/NMC. L'objectif principal de cette thèse sera de combiner différentes techniques de caractérisation (RMN-MAS, mais aussi XPS, mesures d'impédance, microscopie et mesures électrochimiques) afin d'obtenir des informations à la fois qualitatives et quantitatives sur la composition chimique et les propriétés physico-chimiques de la couche de passivation.

Les recherches proposées visent à développer et à mettre en œuvre une méthodologie fondée sur des techniques de RMN du solide (7Li et 6Li) et sur le traçage du lithium, afin de mieux comprendre sa mobilité au sein de l'interface couche de passivation/matériau d'électrode et d'étudier son piégeage grâce à une description détaillée du phénomène. Des analyses par spectroscopie XPS et SIMS ainsi que par profilométrie seront réalisées sur la surface des électrodes afin d'obtenir des informations complémentaires sur la structure chimique de la couche de passivation.

En particulier, la technique SIMS à haute résolution sera mise en œuvre tant en surface des échantillons que sur des coupes transversales (ré

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