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Nos Thèses par thème

Défis technologiques >> Stockage électrochimique d’énergie dont les batteries pour la transition énergétique
9 proposition(s).

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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Etude et Amélioration de l'Etape de Formation des Accumulateurs Li-ion de nouvelle génération

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

Laboratoire Prototypage et Procédés Composants

Ingénieur ou master chimie, électrochimie ou génie des procédés

01-10-2020

SL-DRT-20-0843

yvan.reynier@cea.fr

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

La formation électrique des accumulateurs Li-ion est une étape peu étudiée dans les milieux universitaires, alors qu'elle représente 30% du cout de production de la cellule et conditionne ses performances (durée de vie, résistance?). La plupart des études restent empiriques [1-5] ou protégées par le secret industriel. L'objectif de la thèse est d'établir un lien direct entre les paramètres de l'étape de formation et les performances électrochimiques qui en découlent, à l'aide d'un protocole couplant mesures électrochimiques et caractérisation physico-chimiques. Au cours de sa formation l'étudiant mettra au point la méthodologie de suivi puis déterminera les paramètres les plus influents. Par la suite il appliquera ces résultats sur des accumulateurs représentatifs à l'aide de la méthodologie des plans d'expériences afin d'optimiser l'étape de formation.

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Prise en compte du risque de propagation de l'emballement thermique dans le développement des modules de batteries. Approche expérimentale et outil de modélisation tenant compte de la génération de gaz.

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

Laboratoire Analyse électrochimique et Post mortem

electrochimie, chimie, modèlisation

01-09-2020

SL-DRT-20-0846

remi.vincent@cea.fr

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

La thèse propose d'étudier la propagation de l'emballement thermique dans un module de batteries. Les différents modes de transfert thermique (rayonnement, conduction et convection) seront qualifiés et leurs impacts en fonction du design de module seront évalués. Par exemple, les parts d'énergie relarguées dans les gaz ou la cellule seront déterminées, ainsi que les probabilités de déchirure du godet et l'impact de la conductivité thermique des clinquants et des soudures. Cette étude sera abordée par la réalisation d'essais abusifs sur mini-module ainsi que par de une modélisation de type CFD (logiciel Start CCM+). Les deux approches s'alimenteront mutuellement afin d'obtenir un modèle prédictif d'emballement. La première étape consistera à valider que la simulation reproduit bien les phénomènes prépondérants pour, dans un deuxième temps, proposer des optimisations qui seront validées à leur tour par l'expérience. De ce fait, la thèse proposera en plus d'une évaluation fine des paramètres moteurs dans la propagation de l'emballement thermique, des designs de modules innovants avec des solutions de mitigation spécialement adaptées en fonction des cellules et de l'application visée.

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Modélisation des transitions de phases dans les matériaux de batterie lamellaires

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

Laboratoire Modélisation multi-échelle et suivi Performance

Physique des matériaux, mathématiques appliquées

01-09-2020

SL-DRT-20-0851

marion.chandesris@cea.fr

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

Pour les batteries Lithium-ions de 3ème génération, les matériaux utilisés ont acquis un certain niveau de maturité et les enjeux actuels portent sur l'optimisation de ces technologies sous diverses contraintes utilisateurs souvent antagonistes (densité d'énergie vs. charge rapide). Les outils de modélisation et de simulation numériques permettent d'aborder ces questions d'optimisation, mais souffrent de la mauvaise connaissance des propriétés physiques des matériaux actifs. L'objectif de la thèse est de progresser sur le lien entre la structure cristallographique des matériaux actifs de batterie et leurs propriétés thermodynamiques à l'équilibre et hors-équilibre. En particulier, nous nous intéressons aux transitions de phases se produisant lors de l'insertion du lithium dans les matériaux actifs ayant une structure lamellaire (graphite à la négative et alliages d'oxydes de métaux de transitions à la positive). Ce travail s'appuiera sur un outil de simulation basé sur un modèle de Cahn-Hilliard multi-couches développé au laboratoire qui permet d'étudier la dynamique des transitions de phases. Deux mécanismes principaux seront abordés au cours de cette thèse sur l'intercalation dans les matériaux lamellaires : (1) le phénomène de staging qui correspond à un remplissage périodique des galeries et (2) le décalage dans l'empilement des plans du matériau hôte. Progresser dans notre compréhension de ces deux phénomènes et de leur couplage devrait permettre d'étendre notre compréhension des principales propriétés physiques d'une grande majorité de matériaux lamellaires.

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Matériaux pour le stockage de l'hydrogène à base de borohydrures complexes: Synthèse et régénération pour une écononomie verte

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)

Laboratoire des Eco-procédés et EnVironnement

"stockage électrochimique d'énergie pour les batteries

01-09-2020

SL-DRT-20-0860

philippe.capron@cea.fr

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

L'hydrogène est considéré comme le vecteur énergétique de demain. Néanmoins outre le fait que la filière de production et distribution ne soient pas encore opérationnelle, il réside de vrais verrous scientifiques, technologiques et économiques au niveau de son stockage pour les applications mobiles ou stationnaires. Bien qu'il existe actuellement des solutions de stockage sous forme comprimée ou chimisorbée dans les hydrures métalliques, les performances et les coûts associés de ces solutions ne remplissent que très partiellement les spécifications des diverses applications. Les borohydrures complaxes à base de métaux et d'ammoniac se sont révélés très prometteurs en tant que moyen de stockage d'hydrogène chimique de nouvelle génération à plus grande capacité. Le CEA/LITEN a mis au point plusieurs systèmes M-B-N-H offrant une capacité d'hydrogène pratique supérieure à 10% en poids, à une température inférieure à 250 °C. Notre nouvelle approche de synthèse évolutive a permis une compréhension approfondie du processus de déshydrogénation. Le défi restant réside dans le développement de voies de réhydrogénation chimique des produits de réaction (nitrure de bore partiellement hydrogéné) avec un rendement élevé. Sur la base d'études préliminaires, le projet de thèse proposé se concentrera sur la digestion assistée par micro-ondes du nitrure de bore avec de l'acide chlorhydrique anhydre, suivie du processus d'hydrodéchloration activé via un mélange catalyseur-solvant. Les produits obtenus à base de diborane et d'ammoniac peuvent devenir des précurseurs de synthèse permettant une recyclabilité totale. D'autre part, le développement et l'optimisation de ces procédés de réhydrogénation nécessiteront des analyses chimiques et structurelles afin de comprendre et d'améliorer le rôle du mélange catalyseur d'hydrogénation-solvant. Dans ce contexte, des expériences in-operando utilisant de grands instruments seront menées en collaboration avec l'INAC.

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Sélection et optimisation d'anodes silicium pour batteries tout solide

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

Laboratoire Matériaux

Science des matériaux, chimie, électrochimie

01-01-2020

SL-DRT-20-0864

cedric.haon@cea.fr

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

Ce sujet de thèse est proposé dans le cadre du programme FOCUS "Simulation multi-échelle des batteries appliquée aux matériaux d'électrodes". Le succès de la transition énergétique dépend fortement de la mobilité. Les véhicules électriques permettront probablement de réduire les émissions de C02 mais leur développement est lié à l'amélioration des batteries Li-ion en terme de densité d'énergie, de durée de vie et de sécurité. Dans les prochaines générations de batteries, les batteries « tout-solide » pourraient permettre de résoudre une partie de ces challenges. Le sujet proposé vise à sélectionner et optimiser des anodes silicium pour batteries tout solide (génération 4a). En général, les batteries Li-ion conventionnelles contiennent une cathode (majoritairement oxyde lithié lamellaire de métaux de transition), une anode (principalement du graphite), un électrolyte liquide (mélange de solvants carbonate et d'un sel de lithium) et un séparateur. Les problèmes de sécurité de ces batteries peuvent être attribuer ou aggraver par l'électrolyte liquide à cause de son inflammabilité. De plus, le graphite limite la densité d'énergie des cellules Li-ion actuellement commercialisées. Les électrolytes solides sont une alternative intéressante pour améliorer la sécurité et, combiner au silicium à l'anode, pourraient aider à augmenter la densité d'énergie. De nombreux travaux concernent actuellement les batteries tout solide avec une anode en lithium métallique mais les électrolytes utilisés se révèlent instables au potentiel du lithium et ce dernier engendre toujours des dendrites. Le remplacement du lithium par du silicium, qui présente un potentiel de 0.4 V vs Li+/Li et une capacité spécifique de 3579 mAh/g, pourrait permettre d'améliorer la durée de vie de ces batteries. Dans batteries actuelles à l'électrolyte liquide, les durées de vie des anodes à base de silicium sont limitées principalement à cause de l'instabilité de la couche de passivation due aux changements de volume importants des particules de silicium. En configuration tout solide, les mécanismes de dégradation pourraient être différents ou ne pas avoir les mêmes conséquences. Les stratégies développées jusqu'à maintenant pour les batteries à l'électrolyte liquide vont devoir être révisées pour mettre au point des matériaux d'anodes dédiés aux application tout solide. La recherche dans les batteries tout solide avec anodes en silicium se concentre principalement sur les anodes en couches minces pour limiter les problématiques mécaniques et de résistance d'interfaces. Cependant, la capacité surfacique des films minces reste très limitée (0,3 mAh.cm-2) comparée à celles des anodes commerciales (2-5 mAh.cm-2). L'utilisation de silicium en poudre pour augmenter la densité d'énergie est incontournable alors que l'état de l'art sur le sujet est très limité. Le sujet proposé porte sur la recherche de couples de matériaux silicium-électrolyte solide et sur la compréhension de la réactivité et des mécanismes de rupture à cette interface. On s'attachera particulièrement à moduler le matériau silicium sur la taille et la morphologie des particules/grains (qui dirige les contraintes mécaniques en cyclage) et la chimie de surface/coating (qui dirige la réactivité et l'adhésion avec l'électrolyte). Plusieurs types de matériaux silicium seront étudiés, basés sur les savoir-faire locaux et possiblement sur des matériaux commerciaux, à savoir nanoparticules de silicium avec ou sans carbone (IRAMIS, Nathalie Herlin), nanofils de silicium recouverts d'une monocouche organique (IRIG, Pascale Chenevier) et composites microniques silicium carbone. Un ou plusieurs électrolytes solides seront sélectionnés pour l'étude en fonction des autres sujets FOCUS génération 4 et de l'avancée des connaissances dans le domaine d'ici le début de la thèse. La partie centrale à mesurer et modéliser concerne le maintien du contact électronique et ionique à l'interface pendant le cyclage, malgré les glissements importants induits par le gonflement du silicium à la lithiation. La compréhension de la réactivité et des mécanismes de rupture aux interfaces s'appuiera sur des caractérisations éléctrochimiques in-situ (comme la spectroscopie d'impédance électrochimique (SIE)) et des analyses post-mortem, notamment la spectroscopie des photoélectrons X (XPS) et la microscopie. L'apport pour la modélisation se trouvera dans l'obtention de paramètres nécessaires au modèle par les caractérisations électrochimiques et physico-chimiques adaptées. Les résultats attendus sont : ? Exploration et identification d'anodes silicium adaptées à un ou plusieurs électrolytes solides ? Optimisation d'un système sélectionné (mise en forme, chimies de surface, influence de la taille?) ? Compréhension des évolutions des interfaces ? Mesure des paramètres nécessaires au modèle

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Synthèse d'alliages base silicium pour électrodes négatives d'accumulateurs Li-ion

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

Laboratoire Matériaux

Master 2 Matériaux, électochimie

01-10-2020

SL-DRT-20-0868

cedric.haon@cea.fr

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

Le silicium apparaît comme le matériau d'électrode négative le plus prometteur pour les batteries Li-ion. En effet, sa capacité spécifique théorique de 3579 mAh/g lui permet d'être une alternative au graphite (372mAh/g) pour les applications à haute densité d'énergie. Cependant, il présente une expansion volumique pouvant atteindre près de 300% lors de l'insertion du lithium. Ces variations de volume conduisent à la pulvérisation des particules et à l'instabilité de l'intephase solide-électrolyte (SEI), et donc à la dégradation des électrodes et à la chute rapide des performances électrochimiques au cours des cycles de charge-décharge. Des améliorations sont possibles en réduisant la taille des particules autour de 100 nm afin de limiter la décrépitation mécanique ou bien en développant des composites silicium-carbone avec des nanostructures complexes. Ainsi, la structure des électrodes reste stable mais les phénomènes aux interfaces deviennent prépondérants et tous les critères de performances requis pour une densité d'énergie élevée ne sont plus respectés. Une des tendances actuelles pour envisager une application viable à moyen terme est de développer des structures avec des nano-domaines de silicium emprisonnés dans une matrice assurant conductivité ionique et électronique et limitant les surfaces d'interaction avec l'électrolyte. Pour ce faire, des procédés « hors équilibres » tels que la trempe sur roue ou le broyage haute énergie permettent de synthétiser des alliages métalliques avec les caractéristiques requises et des performances électrochimiques intéressantes. Notre collaboration avec l'IRAMIS (Nathalie Herlin) autour de la synthèse par pyrolyse laser pour des applications batteries a permis de montrer l'intérêt des alliages Silicium ? Germanium et de l'hétérostructure originale obtenue. Ils ont fait l'objet d'un brevet en cours et d'une publication. L'objectif de cette thèse est de poursuivre les travaux sur les alliages Si-Ge pour comprendre l'influence de l'addition du germanium, l'impact de structure c?ur-coquille SiGe@Si et substituer le germanium. Une collaboration avec Laure Monconduit est proposée pour ces travaux sur ces alliages synthétisés par broyage. Le travail de doctorat proposé consistera, dans un premier temps, à réaliser des compositions identifiées par pyrolyse laser et par broyage pour la compréhension des mécanismes de (dé)lithiation. Dans un second temps, des éléments de substitution seront recherchés et évalués. Une optimisation morphologique et microstructurale pourra ensuite être effectuée en fonction des performances électrochimiques obtenues. Des analyses de microscopie électronique à balayage et en transmission ainsi que des techniques de surfaces pourront permettre de caractériser les alliages synthétisés et les mécanismes associés. L'interaction forte avec différentes équipes de recherche (DRT/LITEN ? DRF/IRAMIS ? CNRS/ICGM) sera un des atouts importants pour la réussite de ce travail.

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Développement et compréhension des mécanismes d'action des traitements de surface pour la protection des matériaux d'électrodes

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

Laboratoire Matériaux

Master 2 Scineces des matériaux, chimie

01-09-2020

SL-DRT-20-0873

david.peralta@cea.fr

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

Les futures générations de batteries Li-ion devront procurer une grande autonomie aux futurs véhicules électriques et par conséquent intégrer des matériaux d'électrodes permettant d'obtenir des cellules à très fortes énergies. Les performances électrochimiques des matériaux sont repoussés à leurs limites théoriques et souffre d'une perte de stabilité en fonctionnement dans ces conditions. Dans le cas de batterie utilisant des électrolytes liquides et de façon encore plus critique avec des électrolytes solides, la stabilité (électro-)chimique de l'interface matériau actif/électrolyte joue un rôle primordial du point de vue des performances et de leur durée de vie mais a également une influence lors de leur mise en ?uvre utilisant les procédés envisagées pour la fabrication de batteries tout solide. Une stratégie d'amélioration consiste à traiter la surface des matériaux d'électrode afin de limiter leurs réactivités vis-à-vis des électrolytes. De nombreux traitements de surfaces ont été reportés dans la littérature (AlF3, Al2O3, MgO, MnO2?) et ont démontré qu'une couche de passivation de seulement quelques nanomètres peut considérablement limiter les réactions parasites augmentant ainsi la durée de vie (ex : Al2O3) et/ou améliorer durablement les propriétés des interfaces (i.e la conductivité ionique) pour de meilleures performances en puissance (AlF3). Malgré le nombre important de publications vantant les bénéfices de ces traitements, peu de travaux traitent de la compréhension des phénomènes induits par la modification de cette interface. La thèse aura pour but de répondre aux questions suivantes : (1) pourquoi le traitement de surface améliore les performances et (2) comment un traitement de surface peut limiter les réactions parasites entre le matériau de cathode et l'électrolyte (solide ou liquide). L'étudiant sélectionné travaillera au sein du LM (laboratoire des matériaux pour les batteries) qui est en charge de la synthèse et caractérisation des matériaux de batterie. Le doctorant travaillera sur deux aspects : la modification des interfaces par traitement de surface et sur la caractérisation physico-chimique des composés synthétisés. Pour ce sujet, nous recherchons un étudiant en fin de master ou en dernière année d'école d'ingénieur. Le candidat devra être obligatoirement spécialisé en chimie des matériaux (synthèse ou caractérisation).

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Hydrochars a base de biomasse pour la production de carbone dur pour les accumulateurs Na-ion

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

Laboratoire Matériaux

Master et/ou Ingénieur en chimie des matériaux

01-09-2020

SL-DRT-20-0897

loic.simonin@cea.fr

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

Les batteries Na-ion font l'objet d'intenses recherches depuis quelques années. En effet, la criticité du lithium, qui fait débat depuis plus d'une décennie, a donné lieu à la recherche d'alternatives à cet élément comme porteur de charge dans les batteries. De ce point de vue, les recherches sur les systèmes M-ion (M= Na, K, Mg, Ca, etc.) connaissent un essor considérable avec le Na-ion à la fois comme figure de proue et comme système le plus abouti. Au CEA, l'activité est en plein essor et a permis de sélectionner des matériaux actifs très prometteurs en termes de tenue en puissance, de cyclabilité, etc. Parmi ceux-ci, le carbone dur présente à l'anode des performances remarquables en capacité spécifique et en durée de vie. Néanmoins, son coût de production 2 à 3 fois supérieur à celui du graphite, constitue un frein à sa commercialisation. Ce coût élevé s'explique par celui des précurseurs classiquement utilisés. Dans ce contexte, le projet de thèse proposé vise à réaliser des matériaux d'électrode négative pour les batteries Na-ion à partir de carbones issus de biomasses humides (boues d'épuration, résidus de l'industrie papetière, digestats, résidus de la gazeification de microalgues, etc.). Ces biomasses humides sont pour la plupart difficilement valorisables et constituent des précurseurs à faible coût, voire coût négatif. Dans un premier temps, il s'agira d'optimiser l'étape de synthèse hydrothermale à partir d'un nombre restreint de biomasses. Ensuite, le lien entre les propriétés compositionnelles des biomasses et les performances du carbone dur sera étudié.

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