Thèse Conception de Nouveaux Électrolytes à Base de Liquides Ioniques pour des Batteries Li-Ion Plus Sûres à Haute Densité d'Énergie H/F

Détail du poste

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux Direction de la thèse : Patrice SIMON ORCID Début de la thèse : Date limite de candidature : T23:59:59 Dans le contexte de futures batteries plus sûres à haute densité d'énergie, le but fondamental de ce projet de recherche est de comprendre les problématiques d'interfaces entre les électrolytes à bases de liquides ioniques du FSI ou du TFSI et les matériaux d'anodes et de cathodes. Un large screening sera réalisé au niveau des liquides ioniques en faisant varier le cation (imidazolium, pyrrolidinium, ammonium, phosphonium) et au niveau des électrodes (LFP, NMC, graphite, graphite-silicium, silicium), avec une attention particulière sur les anodes graphite-silicium à haute teneur en silicium (>20% en poids de silicium) qui sont un enjeu important pour la prochaine génération de batteries à plus haute densité d'énergie avec un besoin d'électrolytes plus performants pour la durée de vie de ces batteries. Les électrolytes visés sont à hautes concentrations en liquides ioniques pour bénéficier de leurs avantages en termes de sécurité.

L'état de l'art et les recherches en cours d'Arkema tendent à montrer que les liquides ioniques présentent des problèmes aux interfaces des électrodes dans une batterie Li-ion. Cependant, ces problèmes se manifestent de façons différentes en fonction de la structure du liquide ionique. Le premier problème identifié est lié à la viscosité des liquides ioniques, ce qui induit des problèmes de mouillabilité des électrodes et de perte de capacité de la batterie. Le second problème est lié à des réactions électrochimiques avec les matériaux d'électrodes, de réduction au niveau de l'anode et/ou d'oxydation au niveau de la cathode. Au niveau de l'anode, le liquide ionique peut participer à la formation de la SEI, mais il peut aussi, dans le cas du graphite, s'insérer et conduire à une exfoliation de la structure de l'électrode. Au niveau de la cathode, des décompositions peuvent se produire et influer sur la composition et la qualité de la CEI (Cathode Electrolyte Interphase) et sur les performances des cellules. Le premier objectif de la thèse sera de comprendre les interactions entre les différents liquides ioniques et les différents matériaux d'électrodes. Le second sera de concevoir des nouvelles formulations d'électrolytes à base de liquides ioniques adaptés aux batteries de prochaines générations à haute densité d'énergie, en s'appuyant sur la compréhension des limitations identifiées lors de la première étape. Les batteries lithium-ion sont au coeur de la transition vers la mobilité électrique et le stockage des énergies renouvelables. Leur développement contribue à la réduction des gaz à effet de serre, à la réduction de la pollution en ville et à la création d'une nouvelle chaîne de valeur industrielle en Europe. L'accélération de cette transition passe par une amélioration des performances des batteries en termes de densité d'énergie (en particulier pour l'autonomie et/ou pour l'allégement des véhicules électriques), de puissance (en particulier pour la vitesse de recharge de la batterie) et de sécurité. L'aspect sécurité est fondamental pour la viabilité de la chaîne de valeur, en particulier vis-à-vis de la nouvelle réglementation sur la propagation thermique à venir en Europe en 2027.

En 2024, Arkema a pris une participation majoritaire dans Proionic, start-up leader dans la production et le développement de liquides ioniques (2). Les liquides ioniques possèdent des propriétés uniques en termes de faible volatilité, de non-inflammabilité, de bonnes stabilités thermique et chimique et de large fenêtre de stabilité électrochimique. Ils sont des composants clés pour améliorer la sécurité des prochaines générations de batteries à hautes densité d'énergie, en électrolyte liquide ou semi-solide de type polymère gel. Aujourd'hui, aucun électrolyte à haute concentration en liquide ionique n'est complètement satisfaisant d'un point de vue technologique avec les batteries de génération actuelle à électrolyte liquide du fait de leur conductivité limitée et leur réactions interfaciales avec les électrodes. Lever ces verrous pourrait permettre de profiter pleinement des bénéfices de sécurité des liquides ioniques et d'ouvrir la porte à des batteries de nouvelle génération plus sûres à densité d'énergie élevée. Concevoir des électrolytes pour batteries Li-ion plus sûres et plus énergétiques Formulation d'électrolytes ;

Techniques de caractérisations électrochimiques avancées

Assemblages en cellules Li-ion et caractérisations au centre d'expertise C. Colette d'Arkema.

Le profil recherché

M2 en Sciences des Matériaux, avec des compétences déjà acquises en électrochimie et électrolytes de type liquides ioniques

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