Suivi de l'interface électrode-électrolyte et de l'activité redox dans les batteries Na-ion à électrolytes aqueux concentrés // Monitoring the electrode-electrolyte interface and redox activity in aqueous water-in-salt Na-ion batteries

Les électrolytes aqueux concentrés (WISE pour Water-In-Salt Electrolyte) permettent d'augmenter considérablement la fenêtre de potentiel des batteries Li aqueuses. Ceci s’explique par l'absence de molécules d'eau libres, tandis que les interfaces semblent jouer un rôle crucial. Alors que les WISEs ouvrent la voie à des systèmes durables, les solutions à base de Li utilisent des sels coûteux et toxiques. Pour aller vers des éléments plus durables, le sodium, moins cher et plus abondant peut être envisagé. Toutefois, une compréhension fondamentale des réactions en jeu dans les batteries Na basées sur les WISEs, en particulier aux interfaces, est
nécessaire pour rendre ces systèmes aqueux viables. Le projet vise à identifier les réactions se produisant aux interfaces entre les électrodes et l'électrolyte dans les batteries Na-ion aqueuses WISE, ainsi que le comportement redox des électrodes dans ces solutions.
Pour ce faire, nous utiliserons des techniques de pointe in situ/operando, à savoir la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) à SOLEIL. Le/la doctorant(e) développera/adaptera en premier lieu des cellules dédiées pour effectuer ces mesures. Il/elle mènera ensuite une étude approfondie de la réactivité des électrodes et des interfaces dans les batteries Na-ion
à base de WISEs. Ceci permettra de mieux comprendre le comportement des électrodes ainsi que la composition chimique des interfaces, leurs mécanismes de formation et leur stabilité en cyclage.
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Using concentrated aqueous electrolytes (Water-In-Salt aqueous Electrolytes), a significant increase in the potential window of aqueous Li batteries can be achieved. This is due to the absence of free water molecules while the interfaces seem to play a crucial role. While WISEs pave the way for sustainable systems, the Li-based solutions use expensive and toxic salts. To look for more sustainable elements, one can envision sodium, which is less expensive and more abundant. While the systems based on Li imide salts have been quite thoroughly investigated, a fundamental understanding of the reactions at stake in sodium batteries based on WISEs, particularly at the interfaces, is needed. The project aims at identifying the reactions occurring at the interphase between the electrodes and the electrolyte in aqueous water-in-salt Na-ion batteries as well as the redox behavior of electrodes in these solutions. To do so, we propose to use cutting-edge in situ/operando techniques, namely infrared spectroscopy (IR) and X-ray absorption spectroscopy (XAS) at SOLEIL. The PhD student will first develop/adapt dedicated cells to perform these measurements. He/she will then conduct in-depth investigation of
the electrodes and interfaces reactivity in aqueous water-in-salt Na-ion batteries. This will provide insights into electrodes behavior in the bulk and also on the chemical composition of the interfaces, on their formation mechanisms and their stability upon cycling.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie
Laboratoire : Laboratoire d’étude des éléments légers
Date de début souhaitée : 01-11-2025
Ecole doctorale : Sciences Chimiques: Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes (2MIB)
Directeur de thèse : GAUTHIER Magali
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/NIMBE/LEEL
URL : https://iramis.cea.fr/en/pisp/magali-gauthier/
URL : https://iramis.cea.fr/nimbe/leel/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Nanosciences et Innovation pour les Materiaux, la Biomédecine et l’Energie

M2 Chimie analytique ou sciences des matériaux