EcoBatt: Électrolytes polymères autoréparables pour des batteries tout-solides plus performantes, sûres et durables

THEMES DE RECHERCHE/DOMAINES SCIENTIFIQUES

•(Électro)Chimie circulaire pour le stockage électrochimique de l'énergie

•Stockage électrochimique de l'énergie sûr et durable (SSbD: https://research-and-innovation.ec.europa.eu/research-area/industrial-research-and-innovation/chemicals-and-advanced-materials/safe-and-sustainable-design_en) via des batteries tout-solide (SSB)

•Pacte industriel pour une industrie propre (https://commission.europa.eu/topics/competitiveness/clean-industrial-deal_fr) visant la neutralité climatique du continent (européen) d'ici 2050

•Objectif de développement durable (ODD) n° 7 des Nations Unies (https://sdgs.un.org/goals/goal7)

•Matière molle fonctionnelle pour le stockage électrochimique de l'énergie

•Chimies CLICK-CLIP vs. Chimie Covalente Dynamique (DCC) pour électrolytes polymères solides stimuli-sensibles (SRPEs)

•SSbD et batteries tout-solides (SSBs) post-Li-ion plus sûres, plus performantes et plus durables

À travers la formation par la recherche (à l'UGA et au PoliTO) d'un(e) doctorant(e) en cotutelle, soutenu par une bourse du programme UFI Vinci 2026 (Chapitre III), le projet collaboratif EcoBatt (https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:ugcPost:7514439613311111170) associe les compétences et l'expertise du laboratoire LEPMI (UMR5279) et du laboratoire GAME. Il donne naissance à un projet de recherche collaborative synergique (TRL 1 à 3-4), créant ainsi un pont de part et d'autre des Alpes entre les communautés de recherche française et italienne spécialisées dans le stockage de l'énergie, S'appuyant sur des démonstrations de preuve de concept (PoC) tant au niveau des matériaux (électrolytes polymères sensibles aux stimuli [1,2,3] : SRPE vs PE) que des dispositifs (SSB [4,5,6]), le projet vise à établir les bases scientifiques (y compris un portefeuille potentiel de propriété intellectuelle clé) pour une nouvelle génération de smart SSB [7]. L'objectif est de favoriser une économie circulaire des batteries, contribuant ainsi à la souveraineté énergétique de l'Europe (concernant les matériaux critiques tels que le Li, le Ni, le Co et le Mn) ainsi qu'à l'ODD n° 7 des Nations Unies.

CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUES

Un défi scientifique et technologique contemporain et crucial, lié à la réponse (partielle) à l'ODD n° 7 de l'ONU [8], consiste à opérer un changement de paradigme : passer des batteries lithium-ion (LiB) présentant des risques de sécurité (car reposant sur un électrolyte liquide ou gélifié) aux batteries tout-solides (SSB, dotées d'électrolytes solides), avec pour principaux moteurs technologiques le transport électrique et le stockage d'énergies renouvelables (intermittentes). Les électrolytes inorganiques sont actuellement envisagés comme la solution de choix pour la prochaine génération de SSBs [4,5,6], mais ils présentent des inconvénients majeurs qui contrebalancent leurs avantages intrinsèques. En particulier, il est difficile de garantir l'intégrité et la fonctionnalité des interfaces critiques (électrolyte/électrodes: SEI & CEI) lorsque la batterie subit des contraintes internes (liées aux processus de lithiation/délithiation) dans des conditions de cyclage exigeantes et asymétriques (par exemple, charge rapide/décharge lente); ce qui entraîne des fluctuations de performance imprévisibles et/ou erratiques, pouvant aller jusqu'à des dysfonctionnements intempestifs, voire une défaillance totale de la batterie.

MÉTHODOLOGIE DE RECHERCHE

Pour relever ce défi, nous proposons d'associer de nouvelles générations d'électrolytes polymères stimuli-sensibles (SRPE) [1,2,3] (conçus, synthétisés et caractérisés au laboratoire LEPMI) à des batteries tout solide (SSB) [4,5,6] (assemblées, caractérisées et soumises à des cycles de charge/décharge au laboratoire GAME).

Développé par un(e) doctorant(e) dans le cadre d'un projet de recherche en cotutelle UGA/PoliTO — associant les compétences et l'expertise du laboratoire UMR5279-LEPMI et du laboratoire GAME, tous deux reconnus internationalement pour leurs innovations dans le domaine des batteries rechargeables — le projet EcoBatt (https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:ugcPost:7514439613311111170) tire son originalité de deux piliers qui se renforcent mutuellement (aux échelles du matériau et du dispositif) :

•i) l'avancement des connaissances (TRL 2-3) vers un stockage d'énergie électrochimique bio-inspiré, en combinant des principes fondamentaux de biologie et de biophysique (tels que l'autoréparation et l'adaptation dynamique aux stimuli pour optimiser la durabilité et les performances des systèmes vivants) avec des principes électrochimiques au cœur (électrolyte et électrodes) et aux interfaces des "Batteries 2.0"; cette approche s'appuie sur la chimie "CLICK" [9] pour élaborer des matériaux fonctionnels — tels que des électrolytes et des liants pour les matériaux actifs d'électrodes positives — mis en œuvre à une échelle compatible avec les standards des Gigafactories ;

et

•ii) la démonstration de faisabilité (TRL 4) visant à simplifier les procédés de fabrication industrielle à grande échelle pour des systèmes intelligents de "Batteries 2.0" (utilisant des SRPE), tout en intégrant la récupération de matériaux stratégiques (Li, Ni, Co, Mn) via des voies sélectives et la réutilisation en "seconde vie"  de briques élémentaires issues de la dépolymérisation (chimie "CLIP" [10]) des SRPEs.

Grâce au dépôt de demandes de temps de faisceaux sur les lignes de lumière de très grandes infrastructures de recherche (françaises et européennes, telles que Soleil, ESRF ou Max IV), les équipes du LEPMI et de GAME uniront leurs forces pour réaliser des analyses par diffusion et imagerie de rayons X in situ et operando [13] sur des films minces de SRPE [1, 2, 3] et des batteries tout solide (SSBs) [4, 5, 6], permettant ainsi de valider la preuve de concept aux échelles du matériau et du dispositif de stockage d'énergie, respectivement.

RÉSULTATS ATTENDUS

En tant que modèle innovant [11] « chimiquement neutre » (c.-à-d. une solution de type 2.0 applicable aux batteries à base de cations monovalents et multivalents) pour les smart batteries tout-solides (SSBs) de nouvelle génération (post-LIB [12]), les SRPE présentent six avantages majeurs :

•(i) une conductivité (cat)ionique (par ex. Li+) modulable par conception,

•(ii) une intégration facilitée dans les processus de fabrication des "Gigafactories"  (SRPE [1,2,3]),

•(iii) une faible masse permettant d'obtenir des SSB à plus haute densité énergétique,

•(iv) une souplesse intrinsèque (caractère viscoélastique) capable d'absorber les contraintes internes du matériau,

•(v) des propriétés d'autoréparation [1,2,3] permettant de remodeler les électrolytes au sein de la batterie grâce à des stimuli contrôlés, en tirant parti d'un comportement bio-inspiré [14] encodé dans leur structure chimique,

et

•(vi) la possibilité d'utiliser la température comme paramètre physique pour contrôler et réguler l'état de santé (SoH) et l'état de charge (SoC) de ces SSB 2.0, concrétisant ainsi le concept de smart batteries [7].

À terme, EcoBatt (https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:ugcPost:7514439613311111170/) vise à jeter les bases d'une économie circulaire pour la « Batterie 2.0 », contribuant par l'innovation à la souveraineté énergétique et technologique de l'Europe tout en apportant une réponse de pointe à l'Objectif de développement durable n° 7 des Nations unies.

BIBLIOGRAPHIE

[1]: a) Adv. Energy. Mater. 10: 2002815 (2020). DOI: 10.1002/aenm.202002815 b) Adv. Energy Mater. 12, 2102652 (2023). DOI: 10.1002/aenm.202102652. c) Adv. Funct. Mater. 33, 2212821 (2023). DOI: 10.1002/adfm.202212821

[2]: a) Polymers 15, 1145 (2023). DOI: 10.3390/polym15051145. b) Mater. Today 78, 181 (2024) DOI: 10.1016/j.mattod.2024.06.018 c) Mater. Adv. 7, 8937 (2026). DOI: 10.1039/d6ma00759g

[3]: a) Chem. Rev. 120, 6783 (2020). DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00531 b) Science; 378, abq3750 (2022). DOI: 10.1126/science.abq3750 c) Nat. Rev. Mater. (2026). DOI: 10.1038/s41578-026-00958-8

[4]: Nat. Energy 8, 230-240 (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01208-9

[5]: Nat. Rev. Mater. 9, 305-320 (2024). DOI: 10.1038/s41578-024-00669-y

[6]: Joule 8, 635-657 (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.027

[7]: Nat. Rev. Mater. (2026). DOI: 10.1038/s41578-026-00957-9.

[8]: https://sdgs.un.org/fr/goals/goal7

[9]: a) Angew. Chem. Int. Ed. 40, 2004 (2001). DOI: 10.1002/1521-3773(20010601)40:11<2004::AID-ANIE2004>3.0.CO;2-5 b) J. Polym. Sci. 59, 963 (2021). DOI: 10.1002/pol.20210126. c) Small 20, 2306622 (2024) DOI: 10.1002/smll.202306622

[10]: a) Nat. Rev. Methods Primers 1, 30 (2021). DOI: 10.1038/s43586-021-00028-z b) Chem. Rev. 121, 7059 (2021) DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c01282

[11]: Adv. Energy Mater. 12, 2102785 (2022). DOI: 10.1002/aenm.202102785

[12]: a) Adv. Mater. 30, 1800561 (2018). DOI : 10.1002/adma.201800561 b) Nat. Rev. Clean Technol. (2026). DOI: 10.1038/s44359-026-00203-z

[13]: a) Adv. Energy Mater. 12, 2102694 (2022). DOI: 10.1002/aenm.202102694 b) Nanoscale Horiz. 11, 37-61 (2026). DOI: 10.1039/d5nh00009b

[14]: Chem. Rev. 123, 701 (2023). DOI: 10.1021/acs.chemrev.2c00575

Le LEPMI (Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-chimie des Matériaux et des Interfaces) est une unité mixte de recherche (UMR5279) composée de personnels du Centre National de Recherche Scientifique (CNRS), de l'Institut National Polytechnique de Grenoble (Grenoble-INP), de l'Université Grenoble Alpes (UGA) et de l'Université de Savoie Mont-Blanc (USMB). Les principales activités de recherche du LEPMI portent sur l'élaboration, la caractérisation (in situ/operando) multi-échelle/physique de matériaux fonctionnels (polymères, sels, liquides ioniques, catalyseurs, céramiques) destinés aux systèmes énergétiques (batteries, pile à combustible et cellules solaires).

La personne recrutée travaillera au sein de l'équipe Matériaux, Interfaces et ELectrochimie (MIEL : https://lepmi.grenoble-inp.fr/fr/equipes/miel) localisée sur le campus UGA à Saint-Martin-d'Hères. Cette équipe pluridisciplinaire se concentre sur l’écoconception et les caractérisations chimiques, électrochimiques, physico-chimiques, et physiques de polymères, sels, liquides ioniques, ionomères et d’électrolytes dédiés au stockage et la conversion électrochimique d’énergie (Batteries : lithium métal polymère, lithium-ion, lithium-soufre, Na, Ca, Mg. Piles à combustible à membrane polymères protoniques et alcalines, cellules solaires à base de pérovskites). L’équipe MIEL développe une activité soutenue et innovante sur l'étude in situ et operando par des techniques couplées: Electrochimie/Raman, Electrochimie/RMN, Electrochimie/diffusion, imagerie et spectroscopie des rayons X. Elle est constituée de 19 permanents (Chercheurs, Enseignant-Chercheurs et Ingénieurs CNRS, Grenoble-INP et UGA), ~10 postdoctorants/an, ~30 doctorants/an, et ~20 masters/an.

Les travaux du projet EcoBatt (https://www.linkedin.com/feed/update/urn:li:ugcPost:7514439613311111170) se dérouleront en co-supervision et collaboration synergique avec l’équipe GAME (Group for Applied Materials and Electrochemistry. https://www.disat.polito.it/en/the_department/internal_structures/department_labs/laboratori_area_chimica_per_l_ingegneria/game_laboratory) du Politecnico de Torino (PoliTO) basé à Turin, en Italie dont l'activité scientifique est centrée sur la préparation et à la caractérisation de matériaux pour des systèmes de stockage d'énergie électrochimique (batteries lithium-ion, sodium-ion, zinc-ion, supercondensateurs, etc.). L’équipe GAME dispose d'équipements de pointe pour la caractérisation électrochimique des matériaux et des cellules électrochimiques. Elle est constituée de 4permanents (Enseignant-Chercheurs et Ingénieurs), ~2-5 postdoctorants/an, ~10 doctorants/an, et ~5 masters/an.

Le doctorant (H/F) effectuera sa thèse en cotuelle à 50% (18 mois) entre l'équipe MIEL @ LEPMI à Saint-Martin d'Hères (France) et à 50% (18mois) dans l'équipe GAME @ PoliTO à Turin (Italie) selon un calendrier établi pour assurer le développement scientifique du projet EcoBatt.

Le candidat (H/F), chimiste des matériaux fonctionnels/chimiste sciences des matériaux) devra de préférence être titulaire d'un master ou d'un diplôme universitaire équivalent à un master européen (5 ans) en sciences des matériaux ou en chimie organique/des polymères, avec une spécialisation en matériaux fonctionnels ou en électrochimie. Une expérience pratique préalable en synthèse (compétence fondamentale) et/ou en corrélations structure-propriétés (SAXS/WAXS) multi-échelles (conductivité ionique ou électronique) de matériaux fonctionnels (c.-à-d. conducteurs électroniques/ioniques), ou en élaboration et caractérisation avancée d'électrodes (négatives ou positives) pour dispositifs de stockage électrochimique de l'énergie (supercondensateurs ou batteries), et/ou en procédés de fabrication micro/nanoélectroniques (en salle blanche), sera particulièrement appréciée. Une capacité effective à effectuer un travail indépendant, à travailler à l'intersection de la chimie et de la physique de la matière molle fonctionnelle ou de la science des matériaux pour l'énergie (stockage ou conversion) au sein d'équipes de recherche multidisciplinaires/interdisciplinaires, et d'excellentes compétences en communication et en rédaction (en français et en anglais) sera considérée comme des critères tout aussi importants que les qualifications académiques et les mérites scientifiques pour la sélection du candidat (H/F) à cette bourse de thèse.