Operando NMR spectroscopy of batteries: Improving sensitivity and selectivity // Operando NMR s[...]

Réf ABG- ADUM-75593 Sujet de Thèse

Université Grenoble Alpes

Lieu de travail GRENOBLE Cedex 9 - Auvergne-Rhône-Alpes - France

Intitulé du sujet

Operando NMR spectroscopy of batteries: Improving sensitivity and selectivity

Champs scientifiques

• Chimie

Mots clés

Operando NMR, Battery, Solid-state NMR, Sensitivity

Description du sujet

Les batteries Li‑ion ont connu un succès considérable ces dernières années, mais la recherche de batteries présentant une densité d'énergie encore plus élevée, une durée de vie plus longue et des matériaux plus durables se poursuit. Ces avancées nécessitent une compréhension à l'échelle atomique des mécanismes de fonctionnement des batteries pendant les cycles de charge et de décharge, obtenue grâce à des mesures operando. La spectroscopie RMN s'est imposée comme une technique puissante pour ce type d'études, mais elle reste limitée par une faible sensibilité et un manque de sélectivité vis-à-vis des différentes parties de la cellule électrochimique.

L'objectif de ce projet de thèse est de faire progresser les mesures de RMN operando des batteries selon deux axes complémentaires : (1) augmenter la sensibilité expérimentale grâce à la mise en œuvre de nouvelles géométries de cellules, et (2) cibler des parties spécifiques de la batterie à l'aide de séquences d'impulsions RMN avancées. Ces développements seront appliqués à des questions pertinentes concernant les batteries Li‑ion et Na‑ion, par exemple l'étude d'espèces diluées et de processus rapides.

Le travail de thèse portera principalement sur la mise en œuvre, l'optimisation et l'analyse d'expériences de RMN operando sur des batteries Li‑ion et Na‑ion. En complément, le ou la doctorant·e réalisera l'assemblage des batteries et leur cyclage électrochimique, et contribuera au développement de nouveaux formats de cellules RMN operando.

English summary

Li‑ion batteries have seen tremendous success in recent years, yet the quest for batteries with even higher energy density, longer lifetime, and more sustainable materials continues. Achieving these advances requires atomic‑level insights into the operation mechanisms of a battery during charge and discharge, obtained from in operando measurements. NMR spectroscopy has emerged as a powerful technique for such investigations, but it remains limited by low sensitivity and a lack of selectivity for different parts of the electrochemical cell.

The goal of this PhD project is to advance operando NMR measurements of batteries in two complementary ways: (1) increasing the experimental sensitivity through the implementation of new cell designs, and (2) targeting selected parts of the battery using advanced NMR pulse sequences. These developments will be applied to pertinent questions in both Li‑ion and Na‑ion batteries, investigating for example dilute species and fast processes.

The PhD work will center around the implementation, optimization and analysis of operando NMR experiments on Li‑ion and Na‑ion batteries. In addition, the PhD student will perform battery assembly and electrochemical cycling, and will contribute to the development of new operando NMR cell formats.

Début de la thèse : 01/10/2026