Engineering science - Ultra-divided matter, Physical sciences for materials

Nouveaux matériaux pour une nouvelle génération de microbatteries tout solide sans lithium

De nouveaux dispositifs communicants autonomes intégrant capteurs, dispositifs de récupération (photovoltaïque, piézoélectrique, thermoélectriques,...) et de stockage d'énergie sont actuellement en plein développement. Les microbatteries au lithium tout solide en films minces sont une solution de stockage performante. Pour ces applications spécifiques la tension de la microbatterie doit rester relativement basse (~ 1V) pour parvenir à stocker l'énergie électrique récupérée avec un bon rendement. Ceci conduit logiquement à envisager de nouveaux systèmes électrochimiques tout solide exempts de lithium, potentiellent moins réactifs vis-à-vis de l'eau (adaptés à des systèmes implantables). L'objectif de cette thèse sera donc de contribuer à la recherche et à l'évaluation de nouveaux couples de matériaux d'électrode susceptibles de répondre à cette nouvelle demande, et compatibles avec une intégration en microbatterie tout solide. Pour cette raison, des systèmes ?simples' comportant une électrode négative métallique et un composé d'intercalation des ions métalliques (mono ou divalents) de type oxyde seront tout d'abord privilégiés. Les études porteront à la fois sur des matériaux d'électrode sous forme de poudres et de couches minces(PVD). De nombreuses techniques de caractérisation seront utilisées afin de déterminer la composition chimique (ICP, RBS, microsonde de Castaing, XPS, spectroscopie Auger), la structure (diffraction des RX, spectroscopie Raman, MET...), la morphologie (MEB) et le comportement électrochimique (galvanostat/potentiostat, spectrométrie d'impédance).

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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-13-0689 Contact : frederic.lecras@cea.fr

Modélisation thermo-mécanique de la respiration des hydrures pour une conception efficace et sécurisée des réservoirs de stockage de l'hydrogène par voie solide

Le sujet de thèse concerne le stockage de l'hydrogène par des matériaux dits hydrures. L'équipe "Stockage de l'hydrogène" au sein du laboratoire des technologies de l'hydrogène est chargée de développer ce type de technologie dit de stockage solide, qui a l'avantage sur les deux autres modes de stockage usuels (sous forme de gaz comprimé ou sous forme liquide) d'être plus sûr et plus compact. Le matériau hydrure se présente sous la forme d'un milieu granulaire sec. Les hydrures qui fonctionnement bien de manière réversible sont pour le moment des matériaux intermétalliques, de taille de grain de quelques microns à quelques centaines de microns. Le phénomène générique de respiration de l'hydrure (gonflement/dégonflement lors de l'absorption/désorption de l'hydrogène) est un phénomène connu, mais de manière seulement empirique pour le moment. Il est pourtant primordial de le maîtriser pour deux raisons : l'efficacité de l'échangeur de chaleur dans lequel l'hydrure est contenu (puisque les phénomènes d'hydruration/déhydruration sont exo/endothermiques) et l'intégrité mécanique du contenant. Ce sujet touche de près à la mécanique des milieux granulaires et s'intéresse à un aspect très peu connu les concernant. Il s'agit de connaître et modéliser le comportement de ce type de milieu en réaction à un gonflement individuel des grains se situant entre 20 et 30% en volume. Le principal effet à prédire est le niveau d'effort créé sur les parois du conteneur d'un tel milieu. La littérature est pour l'instant très pauvre en ce domaine. Les avancées attendues concernent donc à la fois une recherche fondamentale en même temps qu'une application concrète dans les réservoirs de stockage dit solide de l'hydrogène. La thèse vise donc dans un premier temps à mieux caractériser le comportement mécanique d'un matériau hydrure lors des cycles d'absorption-désorption de l'hydrogène. Pour cela, un banc expérimental vient d'être développé au laboratoire. Il s'agit d'un banc de caractérisation mécanique tri-axial de révolution de l'hydrure sous hydrogène avec mesure des déformations par méthode optique. Le banc est opérationnel, mais n'a encore pas fourni de résultats. Dans un deuxième temps, il s'agira de développer un modèle prédictif du comportement mécanique, voire thermomécanique de l'hydrure. Un couplage à la thermique est en effet prédictible. La première méthode à utiliser est la simulation par éléments discrets qui permet de prendre en compte au mieux la physique du phénomène, mais il faudra aussi essayer de développer un modèle de type milieu continu, plus apte au dimensionnement "ingénieur" de réservoirs réels, sur la base de modèles existants dans le domaine de la compaction de milieux granulaires sec (par exemple Drucker Prager Cap Model). Il n'est pas exclu aussi de regarder ce que peuvent donner les modèles analytiques de type silo (Jensen).

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Département : Département des Technologies Biomasse et Hydrogène (LITEN) Laboratoire : Laboratoire des Technologies de l'Hydrogène Date de début : 01-09-2013 Code CEA : SL-DRT-13-0942 Contact : olivier.gillia@cea.fr

Synthèse et fonctionnalisation de nanomatériaux 1D (nanofils métalliques par synthèse en voie liquide et/ou electrospinning). Application à la fabrication d'électrodes transparentes souples processables à basse température par des techniques d'impression grandes surfaces et intégration dans des dispositifs fonctionnels.

Les couches conductrices transparentes actuellement utilisées pour les dispositifs photoélectriques sont essentiellement des couches minces de type TCO (Transparent Conductive Oxide). Ces matériaux sont produits à partir d'indium, qui est un métal cher et peu abondant, et ne présentent pas de propriétés de flexibilité. Pour des raisons techniques et économiques le développement de nouvelles électrodes pouvant se substituer à celles-ci est l'objet d'importantes recherches. Différentes alternatives apparaissent aujourd'hui pertinentes, parmi lesquelles l'utilisation de matériaux conducteurs de taille nanométrique. A titre d'exemples, les nanomatériaux comme les nanofils métalliques, les nanoparticules d'oxyde de zinc ou les nanotubes de carbone peuvent être utilisés à cette fin et les premiers résultats obtenus en ce sens laissent augurer d'excellentes perspectives de développement. Les nanofils métalliques apparaissent tout particulièrement prometteurs et seront au coeur de cette thèse. L'étude permettra d'aborder l'ensemble du processus, de la synthèse des nanofils par différentes techniques à leur intégration dans des matérieux fonctionnels.

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Département : Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN) Laboratoire : Laboratoire Composants Récupération de l'Energie Date de début : 01-10-2013 Code CEA : SL-DRT-13-1003 Contact : jean-pierre.simonato@cea.fr