CIFRE : Développement d'un procédé innovant de production de matériaux d'anode à base de Silicium pour batteries lithium-ion très haute performance

La transition énergétique et l'électrification des usages imposent des exigences croissantes en matière de densité d'énergie et de durée de vie des batteries lithium-ion. Les anodes en graphite, qui constituent aujourd'hui le standard industriel, atteignent leurs limites théoriques de capacité (372 mAh/g), tandis que le silicium présente une capacité massique environ dix fois supérieure (3579 mAh/g). Son intégration industrielle se heurte néanmoins à des défis majeurs : expansion volumique lors du cyclage, instabilité de la SEI.

Une start-up Lyonnaise développe un nouveau matériau d’anode à base de Silicium à haute capacité et faible expansion volumique. Ce nouveau matériau a d'ores et déjà fourni des résultats électrochimiques exceptionnels en cellules Li-ion industrielles complètes, validant la pertinence de l'approche. Des capacités supérieures à 7 000 mAh ont ainsi été obtenues en cellules 21700 complètes, confirmant le potentiel exceptionnel du matériau.

L'enjeu de cette thèse est désormais la mise au point du procédé de fabrication de ce matériau sur un pilote semi-industriel reproductible, contrôlé et économiquement viable. Les travaux de recherches portent sur les relations entre la structure du matériau à base de Silicium et les propriétés nécessaires pour atteindre des batteries de hautes capacités.  

L'étude permettra d’identifier et d’optimiser les paramètres clés du procédé sur ce pilote semi-industriel, température, pression partielle des précurseurs, temps de résidence, nature et granulométrie du substrat…, afin de reproduire ce matériau à une échelle plus grande.

La démarche proposée s'articule autour des tâches suivantes :

• Un état de l'art approfondi des matériaux d'anode silicium et des procédés CVD en lit fluidisé, afin d'identifier les paramètres clés contrôlant la microstructure, la capacité et la stabilité cyclique.
• Une étude paramétrique expérimentale sur le pilote semiindustriel : température, pression partielle des précurseurs, temps de résidence, nature et granulométrie du substrat, en vue d'identifier les conditions de dépôt optimales à cette échelle.
• La caractérisation physicochimique et électrochimique des matériaux produits (DRX, MEB, BET, cyclage galvanostatique, EIS) et leur mise en corrélation avec les paramètres procédé.
• La modélisation thermodynamique et cinétique des réactions de dépôt, pour guider la conception du procédé à l'échelle supérieure.
• La conception, la mise au point et la validation d’un pilote semiindustriel et la participation à son développement en intégrant les résultats des phases précédentes

Laboratoire de Génie Chimique (LGC) est une unité mixte de recherche reconnue internationalement, spécialisée dans le génie des procédés, les transferts de matière et de chaleur, ainsi que les procédés de mise en forme des matériaux. Sous l'impulsion de Brigitte Caussat, l'équipe développe des expertises de pointe en fluidisation, poudres et procédés haute température, avec de nombreuses collaborations industrielles. Le laboratoire accompagne le développement de procédés innovants, du laboratoire jusqu'au pilote préindustriel, dans les domaines de l'énergie, de la chimie et des matériaux avancés.

Profil recherché :

Master 2 ou diplôme d’ingénieur de très bon niveau ; très solides connaissances en génie des procédés et génie chimique; très bon sens pratique et bonnes aptitudes pour le travail expérimental et modélisation.

Compétences annexes :

Esprit de synthèse, grande rigueur, travail en équipe, autonomie, bonne communication orale et écrite en Français et en Anglais.