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Défis technologiques >> Stockage électrochimique d’énergie dont les batteries pour la transition énergétique
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Ecoconception de nouvelles générations de batteries

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire des Eco-procédés et EnVironnement

Bac+ 5 en génie des matériaux ou génie énergétique avec compétences en management environnemental ou développement durable et une ou plusieurs expérience(s) dans le domaine de la recherche.

01-10-2020

SL-DRT-20-0535

elise.monnier@cea.fr

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

Le développement de l'électrification des véhicules nécessite des technologies d'accumulateurs toujours moins chères et plus performantes. Face à cette demande, de nombreuses voies de développement sont à l'étude, telles que de nouvelles générations Li-ion à teneur réduite en cobalt ou à haute densité d'énergie, des accumulateurs tout-solide ou Li-Soufre sans être exhaustif. En dehors du volet performance pur, il existe un réel besoin d'évaluer l'impact environnemental de ces technologies sur l'ensemble de leur cycle de vie (ACV), et de s'intéresser aux pistes d'écoconception pour le développement des batteries du futur. La thèse proposée visera à répondre à ces problématiques, en s'appuyant sur une approche pluridisciplinaire mêlant les compétences d'au moins 3 laboratoires du LITEN. A l'issu de la thèse, les résultats attendus seront : une comparaison des 3 technologies de batteries nouvelles générations Li-ion avancé, Li-S et Tout-Solide sur un volet environnemental, par rapport à des technologies de batteries de référence ainsi qu'une méthode d'écoconception pour orienter l'aide à la décision dans les développements de technologies de batteries bas TRL.

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Sulfures complexes comme matériaux d'électrode positive à forte capacité pour accumulateurs tout-solide au lithium

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

Laboratoire Matériaux

Ingénieur / Master Recherche Physico-chimie des Matériaux

01-10-2020

SL-DRT-20-1065

frederic.lecras@cea.fr

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

Ce travail de thèse visera l'identification et le développement de sulfures de métaux de transition ordonnés comme matériaux actifs d'électrode à forte densité d'énergie et de puissance pour accumulateurs tout-solide au lithium utilisant un électrolyte vitro-céramique de type Li2S-P2S5. On recherchera en particulier des compositions et des structures cristallines (i) ne contenant pas ou peu d'éléments critiques (i.e. majoritairement base Ti, Fe ou Mn) et susceptibles de permettre (ii) l'échange d'au moins 1 Li+ /métal de transition, (iii) un transport aisé de ces ions au sein de canaux de diffusion bien matérialisés dans la structure, (iv) la mobilisation de processus redox à la fois cationiques et anioniques (S2-/S22-). Les sulfures lamellaires ?Li-rich' de type Li[LixTi1-x]S2 seront ciblés en priorité. Les études menées jusqu'ici en collaboration avec l'ICMCB (Bordeaux) et l'IPREM (Pau) montrent clairement l'implication de deux processus redox, l'un basé sur le couple Ti3+/Ti4+, l'autre sur le couple S2-/S22- et l'existence d'une phase d'activation pour les composés les plus riches en Li. Des capacités réversibles dépassant les 265 mAh/g (600 Wh/Kg), avec de faibles polarisations, ont ainsi pu être obtenues dans des conditions non optimisées, et des valeurs > 300 mAh/g et 700-725 Wh/kg semblent accessibles. Le but des travaux sera d'une part (i) de poursuivre l'optimisation du matériau d'électrode LTS (composition nominale, 'dopage', taille de particule/cristallite, oxygénation de la surface) afin d'obtenir les meilleures performances en termes d'énergie spécifique, de cinétique d'activation (ii) d'intégrer ces matériaux dans un système tout-solide utilisant un électrolyte inorganique soufré 'classique' type Li2S-P2S5 et une électrode négative de Li/LiPON et d'évaluer les performances électrochimiques (cyclabilité) des matériaux LTS dans ces conditions, (iii) d'identifier les processus de dégradation éventuels (stabilité structurale à l'état délithié, interface LTS/LPS et/ou Li/LiPON/LPS, cohésion mécanique du système tout-solide). La compréhension et le contrôle des phénomènes d'interface sont des points clefs qui seront examinés grâce à une combinaison de techniques de spectroscopie (XPS, Auger, ToF-SIMS) de pointe développée à l'IPREM. A terme, il pourra être intéressant d'élargir cette étude aux matériaux sodés isotypes (Na2TiS3) et à d'autres types de sulfures dérivés de CuTi2S4 ou de Li2FeS2. Ce travail sera mené en région Nouvelle-Aquitaine en collaboration avec l'IPREM et l'ICMCB.

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