Intégration des Nanotubes de carbone alignés dans les batteries sans anode : mécanisme et optimisation des cellules // Exploration of VACNTs in Anode-less Batteries: Mechanism and Cell Optimization

Les batteries sans anode ou à anode libre suscitent un intérêt croissant en raison de leur excellente densité énergétique, de leur faible coût et de la facilité de mise à l’échelle de leur procédé de fabrication. L’exploration des batteries sans anode pourrait offrir une avancée majeure dans le domaine du stockage de l’énergie, en utilisant la réserve de lithium déjà présente dans la cathode NMC pour effectuer des cycles réversibles après un processus de formation initial. Cette approche permettrait de réduire l’épaisseur globale, le nombre d’étapes de traitement et le coût des matériaux, tout en offrant une excellente densité énergétique. Les nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNTs) sur des substrats métalliques peuvent représenter un choix intéressant pour cette application en raison de leur faible épaisseur, de la reproductibilité de leur processus de synthèse et de leurs propriétés de surface uniformes, qui ont déjà démontré leur intérêt applicatif dans le domaine des supercondensateurs. Dans ce projet de doctorat, nous explorerons une nouvelle voie d’application : les batteries sans anode, où les VACNT servent de substrat de dépôt pour le lithium ou le sodium. Nous étudierons l’électrochimie des VACNTs dans les batteries lithium sans anode (avec électrolytes liquides et solides) ainsi que dans les batteries sodium sans anode avec électrolyte liquide. Le doctorant travaillera sur l’optimisation de la synthèse des VACNTs afin d’ajuster leur épaisseur et leur densité pour les adapter à leurs propriétés électrochimiques. Des études post-cyclage (Raman et MEB) seront menées afin d’analyser l’effet du cyclage et des électrolytes sur les couches de VACNTs. L’objectif du projet est d’explorer les opportunités d’application des VACNTs dans divers systèmes de stockage d’énergie, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives d’utilisation et de valorisation.
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Anode-less or anode-free batteries are getting increasing attention owing to their excellent energy density, cost efficiency, and ease of process upscaling. Exploring anode-less battery will offer a breakthrough in energy storage devices by using the lithium reserve already present in the NMC cathode to reversibly cycle after an initial formation process, which will reduce the overall thickness, processing steps, and cost of materials, and provide excellent energy density. Vertically aligned CNTs (VACNTs) on metal substrates can be an interesting choice for this application due to their low thickness, reproducible synthesis process, and uniform surface properties, which have already proven their applicability in supercapacitors. In this PhD project, we will investigate their newer avenue of applications- anode-less batteries, where VACNTs act as the lithium or sodium plating substrate. We will study the electrochemistry of VACNT in lithium anode-less batteries (in liquid and solid electrolytes) and in sodium anode-less batteries in a liquid electrolyte. The PhD student will work on the synthesis optimizations of VACNT to tune the thickness and density to match their electrochemistry. Post-cycling studies (Raman and SEM) will be carried out to study the effect of cycling and the electrolytes on the VACNT layers. The project aims to explore the possibility of the application of VACNTs in various energy storage systems, which can open up new application possibilities and valorization
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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 Edifices Nanométriques
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Sciences Chimiques: Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes (2MIB)
Directeur de thèse : PINAULT Mathieu
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/NIMBE/LEDNA
URL : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/pisp/mathieu-pinault/
URL : https://iramis.cea.fr/nimbe/ledna/
URL : https://iramis.cea.fr/en/nimbe/leel/post-li-ion-batteries-3/

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