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Univ. Paris-Saclay
2 sujets /NIMBE/LEEL

Dernière mise à jour : 31-03-2020


 

Etude théorique et expérimentale du potentiel chimique de Li dans Si : effet de l’état de contrainte, de l’état de lithiation et de la température

SL-DRF-20-0599

Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE)

Laboratoire d’étude des éléments légers (LEEL)

Saclay

Contact :

Magali GAUTHIER

Maylise NASTAR

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

Magali GAUTHIER
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL

01 69 08 45 30

Directeur de thèse :

Maylise NASTAR
CEA - DEN/DMN/SRMP

0169088194

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/magali.gauthier/

Labo : http://iramis.cea.fr/nimbe/leel/

Avec une capacité spécifique théorique dix fois supérieure à celle du graphite, le silicium est un matériau très prometteur pour les électrodes négatives de batteries Li-ion. Toutefois, deux problèmes majeurs existent: l’expansion volumique du matériau lors de l’alliage avec le Li et la formation continue de la SEI (Solid Electrolyte Interphase). Pour y remédier, la piste privilégiée est l’utilisation d’électrodes Si/graphite avec de 5 à 10 %m de Si. L’insertion de Li dans Si et dans le graphite se fait toutefois via des mécanismes différents, à des potentiels différents et suit ainsi des cinétiques différentes. Alors que le graphite est peu perturbé par la température et les contraintes, on s’attend à un fort effet du champ de contrainte, de la concentration en Li et de la température sur le potentiel électrochimique dans Si. Il est donc essentiel de comprendre ces effets pour appréhender par exemple la compétition d’insertion du Li entre le Si et le graphite. Dans cette thèse, nous proposons de 1) mesurer et modéliser à partir de l’échelle atomique, l’effet des contraintes, de la concentration en Li et de la température sur le potentiel et la diffusion de Li dans Si; 2) modéliser les hétérogénéités du champ de contrainte et du potentiel de Li entre le cœur et la surface de la particule et 3) contrôler l’état de contrainte du matériau en jouant sur la taille des particules de Si. Un couplage systématique simulation-expérience alimentera et validera les modèles thermodynamiques et cinétiques de l’anode Si/graphite.
Approche expérimentale de la diffusion multi-échelle du Li dans les électrolytes composites de matériaux céramique type Grenat LLZO et polymères destinés aux batteries tout solide

SL-DRF-20-0561

Domaine de recherche : Chimie physique et électrochimie
Laboratoire d'accueil :

Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie (NIMBE)

Laboratoire d’étude des éléments légers (LEEL)

Saclay

Contact :

Saïd Yagoubi

Thibault CHARPENTIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2020

Contact :

Saïd Yagoubi
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL

+ 33 1 69 08 42 24

Directeur de thèse :

Thibault CHARPENTIER
CEA - DRF/IRAMIS/NIMBE/LSDRM

33 1 69 08 23 56

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/said.yagoubi/

Labo : http://iramis.cea.fr/nimbe/leel/

Voir aussi : http://iramis.cea.fr/nimbe/lsdrm/

Depuis 1991, date du début de leur première commercialisation, les batteries lithium-ion, largement présentes dans notre vie quotidienne, ont connu des progrès mais aucune rupture technologique majeure n’a cependant été enregistrée depuis lors. Les usages envisagés pour le futur, tels les véhicules électriques nécessiteront pourtant l’emploi d'une batterie différente, disposant d’une plus grande densité d'énergie, d’un faible coût de fabrication et dépourvue de risque environnemental comme l’auto-inflammation ou la fuite d’électrolytes. Face à ces exigences, les batteries nouvelles génération « tout solide » utilisant un électrolyte solide composite céramique/polymère combiné à l’anode Li peuvent apporter des solutions et répondre aux besoins accrus en sources d’énergie. Les verrous à lever pour permettre le développement de la technologie batteries "tout solide" résident essentiellement dans la recherche de nouveaux électrolytes solides composites chimiquement stables et ayant de bonnes performances électrochimiques (conduction cationique proche du 1mS.cm-1 à température ambiante et large fenêtre de stabilité électrochimique). Une large part de cette thèse sera consacrée à l’élaboration des matériaux d’électrolytes solides composites et à l'optimisation des interfaces céramique/polymère et électrolyte composite/électrode. La combinaison de techniques de caractérisation multi-échelle électrochimique, structurale, spectroscopique et de microanalyse nucléaire permettra d’approfondir la compréhension de la dynamique du Li+ à travers les réseaux structurés des matériaux de la batterie.



Mots clés : électrolyte solide, garnet LLZO, polymère, composite LLZO/polymère, batterie tout solide, interfaces, caractérisation multi-échelle de la dynamique de Li+, lithium métal et dendrite, performance électrochimique, RMN du solide, diffraction RX/neutrons, analyse par faisceaux d’ions.

 

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