Engineering science

Synthèse de matériaux organiques pour électrode de batterie Lithium

Les accumulateurs lithium actuels utilisent des matériaux d'électrodes à base de métaux de transition. Bien que les performances de ces composés soient satisfaisantes, ils ont plusieurs inconvénients majeurs. En effet, ces matériaux sont difficiles à recycler et chers car ils sont préparés par des techniques de synthèse à haute température à partir de précurseurs peu abondants. De plus, certains métaux sont toxiques et leur réactivité est à l'origine de problèmes de sécurité des batteries lithium. Certains composés organiques étant capables de complexer réversiblement le lithium, il est possible de les utiliser comme matériaux d'électrodes. Or ces molécules présentent l'avantage d'être aisément produites par des techniques de chimie organique simples à partir de précurseurs peu couteux éventuellement issus de la biomasse. Mais à ce jour, leur mise en ?uvre dans les électrodes reste délicate notamment du fait de leur solubilité dans les électrolytes. Ce travail de thèse consistera donc dans un premier temps à synthétiser et immobiliser ces molécules sur des supports organiques ou inorganiques. Différentes techniques de mise en ?uvre au sein d'électrodes seront ensuite testées et les performances électrochimiques de ces matériaux seront évaluées au sein d'accumulateurs lithium.

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Département : Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN) Laboratoire : Matériaux pour les Batteries Date de début : 01-09-2013 Code CEA : SL-DRT-13-0489 Contact : thibaut.gutel@cea.fr

Production de biohuile à partir de résidus agroalimentaires

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier la liquéfaction de déchets organiques provenant de l'industrie agroalimentaire française afin de produire une biohuile. Celle-ci pourra être transformée par la suite en biocarburant ou biocombustible. Cette liquéfaction hydrothermale s'effectue en milieu aqueux entre 250-350°C et 10-20 Mpa suivant les procédés, et souvent en présence d'un catalyseur. Les propriétés de solvant de l'eau sont ainsi modifiées selon les conditions de pression et température. Cette liquéfaction est de plus en plus étudiée car elle permet d'obtenir directement une biohuile d'un pouvoir calorifique entre 30-36 MJ/Kg avec une teneur en oxygène entre 10-20%, plus faible qu'une huile issue de pyrolyse flash de biomasse ligno-cellulosique. De plus, les conditions hydrothermales permettent de convertir des ressources chargées en eau qui ne peuvent être converties par des procédés de gazéification ou pyrolyse « classiques » fonctionnant sur de la biomasse sèche. En effet pour ce type de ressources le coût énergétique d'évaporation de l'eau devient prohibitif. Dans ce travail de thèse, on simulera par des mélanges modèles la composition des résidus étudiés en termes de lipides, protéines, glucides mais aussi éléments minéraux. Il s'agira dans un premier temps d'un travail principalement expérimental utilisant les moyens expérimentaux du laboratoire : étude de la conversion de ces mélanges modèles, en autoclaves batch mais aussi sur un pilote continu qui sera installé au laboratoire dans le cadre du projet ANR LIQHYD. Il sera nécessaire d'effectuer les analyses précises de la composition (organique et minérale) des différentes phases obtenues (gaz, liquide aqueuse, liquide organique, solide) afin de d'identifier et quantifier les espèces produites. On cherchera à comprendre les étapes de cette conversion, les interactions entre les espèces, l'influence des espèces minérales présentes voir le bénéfice de l'introduction d'un catalyseur dans le système. L'objectif est d'aboutir à un mécanisme réactionnel global et d'optimiser la quantité de bio-huile produite.

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Département : Département des Technologies Biomasse et Hydrogène (LITEN) Laboratoire : Laboratoire Technologie de la biomasse Date de début : 01-07-2013 Code CEA : SL-DRT-13-0640 Contact : anne.roubaud@cea.fr

Electrolyte tout solide innovant à base de liquides ioniques : réalisation par voie humide et caractérisation des propriétés de transport par spectroscopie d'impédance

L'un des points clés pour le développement des technologies portables est le stockage de l'énergie. Pour beaucoup d'applications (source d'énergie de secours, implants auditifs, etc.), l'accumulateur principalement utilisé est aujourd'hui la pile bouton. Cependant, elle est surdimensionnée en termes de taille et de courant par rapport à l'utilisation qui en est faite. L'une des solutions les plus prometteuses pour pallier ce problème est l'utilisation de micro-accumulateurs. Développés depuis une vingtaine d'années, les micro-accumulateurs, réalisés par dépôts successifs de couches minces, ne font qu'une dizaine de microns d'épaisseur. Ils sont composés d'un électrolyte solide ce qui évite tout risque de fuite contrairement aux accumulateurs classiques comportant un électrolyte liquide. Actuellement, ces électrolytes sont principalement réalisés par dépôt sous vide de type PVD ou CVD. Cependant, ces techniques sont lourdes à mettre en ?uvre (vide poussé, équipements coûteux, etc.) et les films minces obtenus présentent une très faible conformité ce qui ne permet pas de les déposer sur des substrats rugueux par exemple. L'objectif de cette thèse est donc de développer des électrolytes solides innovants réalisés en voie humide. Ces électrolytes seront basés sur l'utilisation d'une matrice polymère (type polymère réticulable sous UV) intégrant un sel de lithium et un liquide ionique. Ce type d'électrolyte présente l'avantage d'être stable à l'air et en température. De plus, ils peuvent être déposés par des techniques de dépôt en voie humide de type trempage-retrait (dip-coating) ou tournette (spin-coating) beaucoup plus simple à mettre en ?uvre que les techniques de dépôt sous vide. Le travail consistera à cibler les meilleurs précurseurs ainsi que la technique de dépôt la plus adaptée pour la réalisation de films minces. Dans un premier temps, les différents précurseurs seront caractérisés (mesures de conductivité, de viscosité, analyses IR etc.) et les différentes techniques de dépôt envisagées seront étudiées (épaisseurs obtenues, temps de réticulation, etc.). Les films minces réalisés seront caractérisés d'un point de vue électrochimique par spectroscopie d'impédance. Enfin, les films présentant les meilleures propriétés seront intégrés dans des empilements de micro-accumulateurs tout solide. Ce travail de thèse sera fait en collaboration entre le CEA de Grenoble et le laboratoire ICMMO de l'Université Paris Sud.

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Département : Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN) Laboratoire : Laboratoire Composants micro stockage de l'Energie Date de début : 01-10-2013 Code CEA : SL-DRT-13-0692 Contact : helene.porthault@cea.fr

Développement d'une nouvelle technologie Li-Ion aqueuse

Faisant suite à une première thèse, ce sujet concerne l'amélioration et la mise au point d'une technologie Li-Ion fonctionnant en milieu tout aqueux. La démarche est principalement concentrée sur le développement de solutions permettant de s'affranchir de la fenêtre étroite de stabilité de l'eau, dont la largeur est de 1,23V. Les travaux reprendront les premiers résultats prometteurs obtenus lors de la première thèse et devront permettre d'aller au delà en terme de stabilité, et idéalement permettre d'aborder en fin de thèse des problématiques de durée de vie. Les travaux seront menés conjointement au sein du LEPMI (INPG, St Martin d'Hères, campus de Grenoble) et au sein du CEA-LITEN-LBA. Les solutions à l'étude concernent à la fois l'utilisation d'additifs au sein de l'électrolyte que des dépôts à la surface des matériaux d'électrode afin de les passiver et retarder les réactions d'électrolyse. Le travail pourra aller de la synthèse des additifs s'ils ne sont pas commerciaux, aux différents tests électrochimiques pour qualifier les solutions retenues (voltampérométrie par exemple)et aux caractérisations associées.

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Département : Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN) Laboratoire : Matériaux pour les Batteries Date de début : 01-10-2013 Code CEA : SL-DRT-13-0895 Contact : sebastien.martinet@cea.fr