Analyse operando des mécanismes de dégradation dans les batteries aqueuses à circulation d'électrolytes par spectroscopie UV-visible // Operando UV–visible spectroscopy analysis of degradation mechanisms in aqueous redox flow batteries

Le déploiement massif des énergies renouvelables impose le développement de solutions de stockage électrochimique durables, sûres et économiquement viables. Dans ce contexte, les batteries aqueuses à circulation d'électrolytes (Redox Flow Batteries RFB), constituent une alternative particulièrement attractive pour le stockage stationnaire de l'énergie. Leur architecture modulaire, la dissociation entre puissance et énergie, ainsi que l'utilisation d'électrolytes aqueux non inflammables en font des systèmes intrinsèquement sûrs et facilement dimensionnables.

Toutefois, leur durée de vie reste aujourd'hui limitée par la stabilité chimique des espèces rédox constituant les électrolytes. Comprendre les mécanismes de dégradation de ces espèces est donc un enjeu scientifique majeur.

Cette thèse s'inscrit au cœur de cette problématique en ciblant deux familles de posolytes:

-Les radicaux organiques de type nitroxyde (dérivés du TEMPO),
-Les complexes de fer, alternatives potentielles aux systèmes à base de métaux critiques.

Jusqu'à présent, les processus de dégradation ont été majoritairement étudiés par des méthodes ex situ, peu représentatives du fonctionnement réel d'une batterie. L'objectif central de cette thèse est de changer de paradigme expérimental en développant une approche operando innovante, permettant d'observer directement, en temps réel, la chimie des électrolytes en fonctionnement.

Le projet vise ainsi la mise en œuvre d'un banc de test de batterie à flux redox unique, couplant :

-Le cyclage électrochimique de la batterie,
-La spectroscopie UV-visible operando intégrée au circuit fluidique,
-Le suivi simultané du pH et de la concentration en dioxygène dissous.

Cette plateforme sera d'abord validée sur des composés modèles, avant d'être appliquée à l'étude approfondie de nitroxydes innovants et de complexes de fer de nouvelle génération. Au-delà de l'outil instrumental, la thèse ambitionne d'élucider les mécanismes de dégradation et de les relier aux paramètres clés des électrolytes et aux conditions d'utilisation de la batterie.

Cette thèse, à l'interface de l'électrochimie, de la chimie des radicaux, de la spectroscopie et de l'instrumentation, s'adresse à des candidates et candidats motivés par une recherche fondamentale à fort impact applicatif, au cœur des enjeux énergétiques actuels.
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The large-scale deployment of renewable energy sources requires the development of sustainable, safe, and economically viable electrochemical energy storage solutions. In this context, aqueous redox flow batteries (RFBs) represent a particularly attractive option for stationary energy storage. Their modular architecture, the decoupling of power and energy, and the use of non-flammable aqueous electrolytes make them intrinsically safe systems with flexible and scalable design.

However, their operational lifetime is still limited by the chemical stability of the redox-active species constituting the electrolytes. Gaining a fundamental understanding of the degradation mechanisms affecting these species therefore represents a major scientific challenge.

This PhD project directly addresses this issue by focusing on two families of positive electrolytes (posolytes):

-Organic nitroxide radicals (TEMPO derivatives),
-Iron-based complexes, considered as promising alternatives to systems relying on critical metals.

To date, degradation processes have mainly been investigated using ex situ techniques, which are poorly representative of the actual operating conditions of redox flow batteries. The central objective of this thesis is to shift the experimental paradigm by developing an innovative operando approach, enabling the direct, real-time observation of electrolyte chemistry under working conditions.

The project aims at the development of a unique redox flow battery test bench, combining:

-Electrochemical cycling of the battery,
-Operando UV–visible spectroscopy integrated directly into the fluidic circuit,
-Simultaneous monitoring of pH and dissolved oxygen concentration.

This platform will first be validated using model compounds and subsequently applied to an in-depth investigation of innovative nitroxide derivatives and next-generation iron complexes. Beyond the instrumental development, the thesis seeks to elucidate degradation mechanisms and to correlate them with key electrolyte parameters and battery operating conditions.

Positioned at the interface of electrochemistry, radical chemistry, spectroscopy, and instrumentation, this PhD project is intended for highly motivated candidates interested in fundamental research with strong application-driven impact, addressing key challenges in modern energy storage technologies.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

459 Sciences Chimiques Balard

Le projet s'adresse à une candidate ou un candidat titulaire d'un Master (ou équivalent) en chimie, électrochimie, physico-chimie ou domaine connexe, motivé(e) par une recherche fondamentale à fort impact applicatif. Le travail se situe à l'interface de l'électrochimie, de la chimie des radicaux, de la spectroscopie et de l'instrumentation. Nous recherchons une candidate ou un candidat curieux(se), motivé(e) et impliqué(e), souhaitant s'engager dans un projet de recherche expérimental exigeant et stimulant. Le profil attendu correspond à une personne autonome dans sa réflexion, capable de prendre des initiatives tout en appréciant le travail en équipe. Un goût prononcé pour l'expérimentation, l'analyse critique des résultats et la démarche d'enquête scientifique est essentiel. Le doctorant ou la doctorante devra être à l'aise avec l'idée de faire évoluer les expériences en fonction des observations et de construire progressivement sa propre stratégie de recherche.
The project is intended for candidates holding a Master's degree (or equivalent) in chemistry, electrochemistry, physical chemistry, or a closely related field, and motivated by fundamental research with strong application-oriented impact. The work lies at the interface of electrochemistry, radical chemistry, spectroscopy, and scientific instrumentation. We are looking for a curious, motivated, and committed candidate who is eager to engage in a challenging and stimulating experimental research project. The ideal profile corresponds to a person who is independent in their thinking, able to take initiative, while also enjoying working as part of a team. A strong interest in experimental work, critical analysis of results, and a genuine scientific inquiry mindset is essential. The PhD candidate should be comfortable with adapting experiments based on observations and gradually developing their own research strategy.