Conception d’électrolytes innovants pour batteries à base de liquides ioniques

Contexte

La thèse proposée s’inscrit dans le cadre du Laboratoire Commun AMIE, récemment créé par le Laboratoire de Chimie de l’ENS de Lyon et la société ITEN également basée dans la région lyonnaise. Le candidat sera ainsi amené à conduire ses recherches au sein des deux entités. Ce travail, supporté par un financement CIFRE de l’ANRT, s’intégrera en particulier au sein de l’axe dédié au design de l’électrolyte. 

En effet, les électrolytes jouent un rôle central dans le fonctionnement des batteries en assurant le transport des ions entre l’anode et la cathode au cours des cycles de charge et de décharge. Leur composition chimique influence des paramètres clés tels que la durée de vie, la sécurité et la plage de température de fonctionnement. Un électrolyte performant doit permettre un transfert ionique efficace tout en restant stable face aux potentiels redox des matériaux d’électrodes, qui peuvent être à la fois très bas à l’électrode négative et très élevés à l’électrode positive, d’autant plus que la cellule a une forte densité d’énergie. L’électrolyte contribue également à limiter des phénomènes indésirables comme les réactions électrochimiques parasites, la formation de dendrites de lithium dans certains systèmes à bas potentiel, ou encore les risques de dégradation chimique à haute température.

Parmi les électrolytes actuellement à l’étude, les liquides ioniques se détachent par leurs caractéristiques prometteuses. Non volatils, peu inflammables et stables sur une large fenêtre électrochimique, ils offrent une alternative plus sûre aux électrolytes organiques conventionnels. Leur nature ionique favorise un bon transport des charges et permet d’envisager des batteries plus durables et performantes.

Objectifs

• Concevoir et formuler des liquides ioniques contenant des sels de lithium spécifiquement adaptés à une utilisation comme électrolytes pour batteries lithium-ion.
• Optimiser les propriétés clés des électrolytes :
  • Capacité de slvatation efficace des ions lithium
  • Faible viscsité et conductivité ionique élevée
  • Large fenêtre de stabilité électrchimique
  • Bnne stabilité thermique
  • Cmpatibilité physico-chimique avec les matériaux des électrodes et de la batterie
• Intégrer des critères de durabilité dans la conception :
  • Réductin de l’impact environnemental des liquides ioniques
  • Sélectin de composants sûrs, non toxiques et biodégradables si possible
• Évaluer la compétitivité économique des formulations proposées :
  • Réductin des coûts de production
  • Utilisatin de précurseurs disponibles et bon marché
• Valider les performances des nouveaux électrolytes en conditions réelles ou simulées de fonctionnement de cellules et/ou batteries prototypes.

Méthodologie

• Étude de la solubilité des sels de lithium dans des liquides ioniques :
  • Méthdes thermodynamiques basées sur la calorimétrie : DSC, Fast-DSC, ITC
  • Energétique de la disslution mesurée par calorimétrie
• Mesure de la viscosité des électrolytes :
  • Utilisatin de viscosimètres à chute de bille et à rotor
  • Etude de la viscsité dans les plages de température des batteries
• Évaluation de la stabilité thermique :
  • Analyses thermgravimétriques (ATG) avec rampes de température
  • Tests de stabilité à lng terme sous différents paliers thermiques
• Caractérisation des interactions électrolyte/matériaux de la batterie :
  • Mesure de la tensin de surface et de l’angle de contact
  • Imagerie et spectrscopie pour l’analyse des interfaces
• Caractérisation des propriétés électrochimiques des nouveaux électrolytes :
  • Déterminatin de la fenêtre de stabilité électrochimique par rapport au système redox Li/Li⁺
  • Mesure de la cnductivité ionique en fonction de la température
  • Mesure du nmbre de transport en fonction de la température
• Évaluation environnementale des électrolytes :
  • Utilisatin d’outils de prévision d’impact environnemental
  • Analyses de cycle de vie (ACV) des frmulations développées

Description du laboratoire d’accueil

Le Laboratoire de Chimie de l’École Normale Supérieure de Lyon est une unité de recherche de référence en chimie fondamentale et appliquée, rattachée conjointement à l’ENS de Lyon, au CNRS et à l’Université Claude Bernard Lyon 1. Installé sur le campus de Monod dans le quartier de Gerland à Lyon, le laboratoire développe des projets interdisciplinaires à l’interface de la chimie, de la biologie, des matériaux et de la physique, en s’appuyant sur des expertises variées en synthèse organique, inorganique, thermodynamique moléculaire, matériaux fonctionnels, modélisation moléculaire et spectroscopies avancées.

Structuré autour de trois axes scientifiques — Chimie Théorique & Thermodynamique Moléculaire, Chimie Supramoléculaire & Chimie Biologique, et Matériaux Fonctionnels & Photonique — le laboratoire aborde des thématiques liées à des enjeux sociétaux tels que l’énergie durable, la santé, l’environnement ou les technologies optiques. Le Laboratoire de Chimie de l’École Normale Supérieure de Lyon est également impliqué dans plusieurs partenariats industriels et programmes collaboratifs, notamment il fait partie du LabCom AMIE, récemment créé avec l’entreprise ITEN.

Entreprise ITEN

Imaginez une entreprise avec un produit révolutionnaire de la taille d’une micro-puce mais d’une incroyable puissance. Récompensée au CES début 2024 et membre de la FrenchTech, notre ambition est de devenir le leader dans le domaine des micro-batteries tout solide. Fondée pour répondre aux besoins en électronique, ITEN propose des produits ultra-compacts, puissants et plus durables.

Le/la candidat(e) devra être titulaire d’un Master (ou diplôme équivalent) dans l’un des domaines suivants : Chimie, Génie chimique, Sciences des matériaux, ou Génie des matériaux. Une solide formation théorique et expérimentale dans l’un de ces domaines est attendue. Une expérience préalable en laboratoire de recherche, notamment en lien avec les matériaux, les procédés chimiques ou les caractérisations physico-chimiques, sera un atout. Le/la candidat(e) devra faire preuve de rigueur scientifique, d’autonomie, de bonnes capacités de communication (écrite et orale) et d’un réel intérêt pour la recherche interdisciplinaire. La maîtrise de l’anglais scientifique (écrit et oral) est requise.