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Défis technologiques >> Stockage électrochimique d’énergie dont les batteries pour la transition énergétique
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Batteries K-ion, vers un système complet sans métaux critiques

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Chimie des matériaux et des interfaces

01-09-2021

SL-DRT-21-0524

david.peralta@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Les batteries Li-ions actuelles utilisées dans les applications hautes énergies sont principalement composées d'une anode en graphite et d'une cathode contenant un oxyde lamellaire lithié de formule LiNixMnyCozO2. Le développement et la généralisation de l'automobile électrique va engendrer une tension notable sur certains éléments chimiques déjà considérés comme critiques ou qui tendent à le devenir (lithium, nickel, cobalt). De plus, le mode de production de ces matériaux s'avère être très énergivore (multiples calcinations) et met en ?uvre des solvants/produits peu respectueux de l'environnement (NMP, ammoniaque). La thèse que nous proposons ici a pour but de développer une technologie de batterie basée sur le potassium, n'utilisant aucun élément critique et dont la production permettrait de réduire considérablement l'empreinte écologique. En terme de performance, le potassium possède un potentiel très proche de celui du lithium, ce qui laisse penser que des batteries hautes énergies pourront être fabriquées. Certains matériaux de cathode au potassium possèdent des capacités théoriques de 155 mAh/g à un potentiel proche de 4 V ce qui permet de rendre la technologie concurrentielle face aux batteries Li-ion classiques. La thèse permettra d'optimiser et de valider la technologie en système complet. L'étudiant optimisera la synthèse du matériau de cathode, l'anode, l'électrolyte afin d'obtenir un système complet performant.

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Electrodes positives à haute densité d'énergie à base de verres pour accumulateurs Li-Ion et Na-Ion

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Ingenieur/Master Chimie du Solide ou Electrochimie

01-10-2021

SL-DRT-21-0577

sebastien.martinet@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Ce sujet de thèse vise au développement de nouveaux matériaux d'électrodes positives à base de verres pour accumulateurs Li-Ion et Na-Ion à forte densité d'énergie. Ces développements seront menés conjointement entre le laboratoire des matériaux pour batteries du CEA-Grenoble et le LDMC du CEA-Marcoule spécialisé dans la formulation et la caractérisation des verres. Les travaux viseront à optimiser les formulations complexes de ces verres pour lever les verrous en terme de perte irréversible au premier cycle et faible cyclabilité. L'objectif sera d'obtenir une composition sans métaux critiques à plus de 1000Wh/kg de matériau actif contre 700 pour les meilleurs matériaux de l'état de l'art actuel. Ceci sera mené en s'appuyant sur un volet caractérisation avancé couplant différentes techniques telles que la diffraction aux rayons X et les spectroscopies RAMAN et FTIR. Un effort particulier sera apporté au développement de mesures operando ou in-situ afin de comprendre les liens entre performances électrochimiques et caractéristiques des verres, ce qui n'a encore pas été reporté dans la littérature.

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Les complexes à transfert de charge comme électrolyte de batterie lithium tout solide

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Matériaux

Master 2 polymère / matériaux / formulation / électrochimie

01-10-2021

SL-DRT-21-0804

laurent.bernard3@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Les accumulateurs lithium-ion ont permis le développement de l'électronique portable et du véhicule électrique. Ils sont particulièrement utilisés en raison de la densité d'énergie qu'ils sont capables de stocker pour un poids et un volume réduits. Le succès de ces systèmes et le développement de nouvelles applications (stockage des énergies renouvelables, objets connectés, ...) requièrent de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies pour satisfaire les exigences en termes de densité d'énergie, de coût et de sécurité. Dans ce contexte, le remplacement des électrolytes liquides toxiques utilisés actuellement par des électrolytes solides est la prochaine étape. Plusieurs familles de matériaux sont étudiées à cet effet, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients. Historiquement, le PEO est l'électrolyte solide le plus étudié mais sa conductivité ionique ne permet pas son utilisation dans des batteries à température ambiante. Une nouvelle classe de matériaux conducteurs ionique a récemment été découvert : les complexes à transfert de charges. Ces matériaux présentent des propriétés électrochimiques exceptionnelles pour un électrolyte solide en couplant : une conductivité égale ou supérieur à celle des électrolytes liquides à température ambiante, une large fenêtre de stabilité électrochimique et un nombre de transport élevé. Ces matériaux peuvent aussi se mettre en forme facilement, permettant d'envisager une montée à l'échelle rapide au niveau industriel. Dans cette thèse on se propose d'étudier cette nouvelle classe de matériau. Les objectifs principaux de l'étudiant(e) seront de formuler ces matériaux (polymère ou non), d'étudier leurs propriétés physico chimiques (via DSC, ATG, HPLC-MS, RMN, IR, spectroscopie UV-Vis ?) et de déterminer les paramètres influençant les propriétés électrochimiques ( EIS/ conductivité du lithium, stabilité électrochimique, nombre de transport, cyclage). Enfin, un travail important de caractérisations avancées est envisagé afin de déterminer le mécanisme de conduction du lithium dans les complexes à transfert de charge. Des accès aux grands instruments (ILL/ESRF) sont envisagés à cette fin. Le doctorant travaillera dans les laboratoires du département avec un travail important sous atmosphère inerte. Il travaillera ponctuellement dans les salles anhydres du laboratoire pour la mise en forme de ces matériaux. Il apprendra l'électrochimie, l'élaboration de batteries lithium-ion, leur caractérisation électrochimique, l'extrusion de polymère ? Le/la candidat(e) titulaire d'un master/ diplôme d'ingénieur devra avoir acquis au cours de sa formation des connaissances avancées en chimie des matériaux (organique, polymère) et/ou formulation et/ou électrochimie. Par ailleurs, le/la candidat(e) devra idéalement pouvoir : travailler en autonomie sur son projet de recherche, participer à des séminaires techniques/conférences et participer à la vie du laboratoire.

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Influence du procédé de fabrication d'électrodes de batterie sur les caractéristiques d'électrodes et les performances électrochimiques

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Prototypage et Procédés Composants

Chimie/Physique des matériaux, Electrochimie, Rhéologie des fluides

01-10-2021

SL-DRT-21-0856

benoit.chavillon@cea.fr

Stockage électrochimique d?énergie dont les batteries pour la transition énergétique (.pdf)

Depuis quelques années, les procédés de fabrications d'électrodes de batteries sont immuables. En effet les électrodes sont fabriquées par enduction sur collecteur. Les électrodes enduites sont alors calandrées pour obtenir la porosité d'électrode visée. Ainsi, des formulations bien maitrisées existent et peuvent s'adapter à beaucoup de matériaux actifs. Une fois calandrées et assemblées en batteries, les électrodes permettent d'obtenir des cellules qui peuvent subir des tests en laboratoire. Malgré cela, l'émergence de nouveaux matériaux induit parfois des difficultés d'obtention d'électrode homogènes. Ainsi,le but de la thèse est de faire une étude complète de l'influence de chacun des composants et des paramètres de fabrication/post fabrication sur l'électrode. Cette étude est menée dans le but de pouvoir trouver des lois de comportement et d'influence des matériaux pour s'adapter à chacun des composants introduits dans l'électrode sans passer par une étude paramétrique. Cette étude pourra ensuite utiliser ces nouvelles connaissances pour pouvoir développer des formulations spécifiques aux nouvelles propriétés de cellules désirées en ce moment telle que la charge rapide. L'ensemble des moyens disponibles au CEA et chez les partenaires concernant les batteries/rhéologie seront utilisés tels que mélangeur à dispersion, mélangeur planétaire pour les encres, différents moyens d'enductions et de calandrage d'électrode, possibilité d'étendre l'étude à des moyens d'extrusions d'électrode,la rhéologie simple et rhéomètre capillaire, des bancs de cyclage et des potentiostats, DRX, MEB, Raman, MET, porosimètre, mesure de surface spécifique, ? Le financement de ce sujet est encore en cours de montage.

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