Exploration automatique des réseaux de réactions électrochimiques : application à l'étude des chemins de dégradation des électrolytes // Data driven exploration of electrochemical reaction networks: application to electrolytes degradation path-ways

Contexte scientifique :
Une offre de thèse est proposée à des candidats ayant une solide formation en chimie, physique ou science des matériaux. Le ou la candidate retenu(e) rejoindra l'institut IPREM (https://iprem.univ-pau.fr/) de l'Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA). Cette offre s'inscrit dans le cadre du programme de recherche commun REACTIF entre l'IPREM, le laboratoire commun iC2MC, et l'entreprise Saft (https://saft.com/), pionnière dans le domaine des dispositifs innovants de stockage électrochimique.

Le projet REACTIF, 'Élucidation des mécanismes RÉActionnels aux interfaces électrodes/électrolytes : une étape Clé pour des baTteries lithium-Ion perFormantes', vise à développer des méthodes avancées et transdisciplinaires intégrant la chimie analytique, les simulations numériques et les caractérisations physico-chimiques de surface, afin d'étudier et d'améliorer la performance et la durabilité des batteries lithium-ion (LIB).

Un des défis majeurs dans la technologie des batteries LIB est la formation et l'évolution des couches interfaciales au cours des cycles de charge et de décharge. Plus précisément, il s'agit de l'interface électrolyte-solide (SEI) à l'anode, et de l'interface cathode-électrolyte (CEI) à la cathode. Ces couches nanométriques, formées durant les cycles électrochimiques, jouent un rôle crucial dans la stabilité des batteries, mais sont également au cœur des phénomènes de vieillissement et de perte de performance. Dans le cadre du projet REACTIF, ce travail de thèse portera sur le décryptage, à l'échelle moléculaire, des processus chimiques qui gouvernent la formation et la composition des SEI et CEI.

Description du projet de recherche :
Cette offre de thèse a pour objectif de développer des méthodes de calcul innovantes pour l'exploration des réseaux de réactions chimiques (Chemical Reaction Networks, CRNs). Ces réseaux offrent une vue d'ensemble des processus chimiques complexes, en faisant le lien entre les données expérimentales et théoriques. L'accent sera mis sur la construction et l'analyse de CRNs décrivant la formation de la SEI et la dégradation de l'électrolyte.

Ces processus sont difficiles à caractériser en raison de la forte densité et de la diversité des espèces chimiques et des chemins réactionnels impliquées dans des conditions électrochimiques. De nouveaux outils algorithmiques seront utilisés pour identifier les espèces clés et les mécanismes réactionnels critiques. Cette partie du travail bénéficiera d'une collaboration existante avec l'Université de Californie à Berkeley et le laboratoire commun iC2MC.

Un défi majeur sera d'intégrer dans les CRNs des données thermodynamiques et cinétiques précises, incluant des éléments chimiques ou des espèces moléculaires nouvelles présentes dans la composition de l'électrolyte. Des calculs de chimie quantique (moléculaire et à l'état solide) viendront compléter cette approche pour évaluer les barrières d'activation et les états de transition des réactions clés.

Ce travail sera étroitement couplé aux résultats obtenus par spectrométrie de masse haute résolution (HRMS) dans d'autres volets du projet REACTIF. Les identifications moléculaires fournies par la HRMS serviront de contraintes majeures pour affiner et valider les CRNs de manière itérative. Inversement, les résultats de simulation aideront à l'interprétation des signaux expérimentaux, contribuant ainsi à une meilleure compréhension de la composition des SEI.
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Scientific context:
A fully funded PhD position is available for candidates with a strong background in chemistry, physics, or materials science. The successful candidate will join the IPREM institute (https://iprem.univ-pau.fr/) at the University of Pau and Pays de l'Adour (UPPA). The current offer lies in the context of the REACTIF joint research program between IPREM, the iC2MC joint laboratory, and Saft (https://saft.com/), a pioneering company specializing in innovative electrochemical storage devices.

The REACTIF project, Deciphering REACtion Mechanisms at Electrode/Electrolyte Interfaces: a Key Step toward High-PerFormance Lithium-Ion Batteries, focuses on developing advanced and transdisciplinary methods integrating analytical chemistry, computer simulations, and chemical-physics surface characterizations to investigate and improve the performance and durability of lithium-ion batteries (LIBs). A key challenge in LIB technology is the formation and evolution of interfacial layers along battery charge and discharge operations. More precisely, the Solid Electrolyte Interphase (SEI) at the anode and the Cathode Electrolyte Interphase (CEI) at the cathode. These nanometric layers, formed during electrochemical cycling, play a crucial role in battery stability but are also central to aging phenomena and performance loss. Within the REACTIF project, this PhD work will focus on deciphering at the molecular level the chemical processes that govern the formation and composition of SEI and CEI.

Description of the research project:
This PhD offer aims at developing innovative computational methods for exploring Chemical Reaction Networks (CRNs). These networks provide a holistic view of complex chemical processes, bridging the results obtained from experimental and theoretical data. The focus will be on building and analyzing CRNs that describe the (SEI) formation and electrolyte degradation. These processes are difficult to characterize due to the high density and diversity of chemical species and reaction pathways involved under electrochemical conditions. New algorithmic tools will be used to identify key species and critical reaction mechanisms. This part will be achieved by leveraging an existing collaboration with the University of California, Berkeley, and the iC2MC joint research lab. A major challenge will be to incorporate accurate thermodynamic and kinetic data into the CRNs including chemical elements or new molecular species that are part of the electrolyte composition. Complementary quantum chemistry calculations (molecular and solid-state) will be used to evaluate activation barriers, and transition states for key reactions.

This work will be tightly coupled with the results obtained from high-resolution mass spectrometry (HRMS) data from other parts of the REACTIF project. Molecular identifications provided by HRMS will serve as key constraints to refine and validate the CRNs iteratively. Conversely, simulations results will help in the assignment of the experimental signals the whole contributing the enhance the understanding of the SEI compositions.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Financement d'une collectivité locale ou territoriale

Université de Pau et des Pays de l'Adour

211 Sciences Exactes et leurs Applications

Le ou la candidate retenu(e) devra être titulaire d'un diplôme de Master (Master 2 en France) ou équivalent en chimie, sciences des matériaux ou physico-chimie, avec une solide formation en chimie théorique et simulation numérique. Il/elle devra être particulièrement motivé(e) pour travailler dans un environnement de collaborations nationales et internationales, en lien avec des partenaires industriels, et à l'interface de plusieurs disciplines. Des compétences en anglais et en informatique (Python, calculs haute performance - HPC) sont requises. Une expérience préalable en chimie quantique, simulations moléculaires, ou développement de code serait un atout apprécié.
The successful candidate should old a Master degree (Maste 2 in France) or equivalent in Chemistry, material sciences or Chemical-Physics with a strong background in computational chemistry. S/he should be particularly motivated to work in an environment with national and international collaborations, in contact with industrial partners and at the interface of several disciplines. English speaking and computer sciences skills are required (Python, HPC calculations). A previous experience in quantum chemistry, molecular simulations, code development would be appreciated.