Influence des états déchargés à 0V sur le vieillissement des cellules sodium-ion

Contexte

Dans le cadre du plan France 2030 et de l’intérêt "compétences et métiers d’avenir", la Région Nouvelle Aquitaine pilote le projet BATTENA qui propose de développer des formations sur toute la chaîne de valeur de la filière batterie. Il regroupe les industriels ACC, Arkema, EasyLi, Exoes, Forsee Power, Orano, Paprec, Saft, Serma Technologies, Syensqo, Voltéo, les établissements de formation ainsi que les écoles d’ingénieurs et universités avec leurs laboratoires de recherche. Les formations "batterie" développées à Bordeaux INP par l’ENSMAC et l’ENSEIRB-MATMECA seront enrichies par les résultats et méthodologies issues de la thèse proposée ici et opérée en collaboration avec les deux laboratoires ICMCB et IMS.

Description du sujet de thèse

La décarbonation de l’énergie passe notamment par son stockage sous forme électrochimique pour lequel la maîtrise de la fiabilité et la sécurité sont essentielles. Concernant les batteries, la durée de vie est estimée grâce à des tests de vieillissement accéléré sur cellules commerciales selon un plan d’expériences qui exploite les valeurs limites, établies par le constructeur, des grandeurs observables telles que température, tension, courant.

Même si la batterie lithium-ion est prépondérante dans l’ensemble des applications mobiles ou stationnaires, la technologie sodium-ion, nouvellement venue en production de masse, gagne du terrain. Malgré une densité d’énergie moindre, la cellule Na-ion présente des avantages majeurs : abondance du sodium accessible à tous, sécurité intrinsèque et possibilité de décharge jusqu’à 0V, ce qui réduit les risques en cas de court-circuit et facilite grandement le transport de ces batteries.

L’objectif de la thèse est donc de quantifier et modéliser les dégradations lors du vieillissement de cellules Na-ion à la limite des spécifications constructeur, en particulier à l’occasion de décharges profondes jusqu’à une tension nulle. Ce travail pourra s’appuyer sur les méthodologies mises en place lors de la précédente thèse en collaboration IMS-ICMCB au sein de BATTENA, en particulier l’écriture des protocoles, la répartition des expérimentations, l’utilisation des équipements, la modélisation et l’exploitation des résultats. L’originalité de l’approche, à l’inverse de d’habitude, ira du système, i.e. une cellule commerciale, vers le matériau, i.e. ses éléments constitutifs, de l’état neuf à la fin de vie.

Côté système (labo IMS), les grandeurs externes à la cellule (tension, courant, température) seront exploitées par les méthodes de caractérisation électrique de type temporelle lente (CC, CV), impulsionnelle (HPPC, GITT), fréquentielle (EIS) pour réaliser un modèle de performances comprenant des indicateurs de vieillissement (capacité, résistance, tension à vide OCV).

Côté matériau (labo ICMCB), les grandeurs internes à la cellule seront déterminées, après ouverture, par caractérisation des matériaux d’électrode en nature (diffraction X) et en composition (microscopie, EDS, absorption atomique).

A mi-chemin, grâce à la constitution de demi-pile à différents états de dégradation (obtention des potentiels d’électrodes à vide OCP), la caractérisation électrochimique de type différentielle (DVA, ICA) et fréquentielle (EIS) permettra de faire le lien entre une modélisation cellule et à électrodes différenciées en fonction de l’état de santé.

Le caractère novateur de cette thèse en collaboration IMS-ICMCB est l’étude de l’influence, sur la durée de vie des cellules Na-ion, du maintien plus ou moins prolongé à l’état complètement déchargé à 0V, cet état pouvant être répété plusieurs fois. Pour cela, ces contraintes seront ajoutées aux conditions des tests de vieillissement calendaire et en cyclage. La diminution des performances observées sera comparée aux résultats obtenus dans une fenêtre de tension conventionnelle. On peut s’attendre à obtenir une modification de la croissance de la couche d’interphase solide-électrolyte et du dépôt de sodium métallique. Cette étude sera menée sur des cellules de deux chimies Na-ion distinctes si possible, dans un format de cellules facilement disponible et utilisable. Le travail se décomposera en plusieurs phases :

• Analyse des données constructeur et détermination des intervalles de confiance,
• Maîtrise des techniques de caractérisation classiques et avancées,
• Mise en œuvre expérimentale à différents états de charge, températures, régimes de charges,
• Proposition d’un modèle de comportement ou électrochimique simplifié, à l’état neuf,
• Proposition d’un plan d’expériences pour des tests de vieillissement accéléré,
• Exploitation électrique des résultats pour différents états de santé et modèle de vieillissement,
• Exploitation électrochimique des autopsies pour différents état de santé et mécanismes de dégradation,
• Construction d’un deuxième modèle de vieillissement basé sur la reconstruction de l’OCV(SOC),
• Confrontation des conclusions issues des deux méthodes intrusives et nonintrusives.

Ce travail permettra une validation inédite des hypothèses, notamment sur les mécanismes de dégradation, par la confrontation des résultats issus des approches complémentaires système et matériau.

Prise de fonction :

05/10/2026

Le laboratoire de l’Intégration du Matériau au Système est une unité mixte de recherche (UMR5218) du CNRS, de l’Université de Bordeaux et de Bordeaux INP. L’IMS développe des actions de recherche originales portant sur la conception, l’intégration et l’analyse de fiabilité des composants, circuits et assemblages pour des applications dans le domaine des télécommunications, des transports, de la santé et de l’énergie. Reconnu au niveau international, il est à la pointe de la technologie et ses partenariats industriels forts permettent à l’IMS d’être un acteur majeur de la recherche en France.

L’Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux est une unité mixte de recherche (UMR5026) du CNRS, de l‘Université de Bordeaux et de Bordeaux INP. Fort de son expertise scientifique en chimie du solide, en science des matériaux, et en chimie & procédés, l’ICMCB s’inscrit dans le développement de nouveaux concepts dans la chaîne de valeur des matériaux, pour synthétiser, mettre en forme et recycler d’une manière durable des matériaux émergents, notamment pour l’énergie, pour l’environnement et la santé et pour l’électronique et la photonique. L’ICMCB entre dans l’ère de la science des données et de l’IA.

Diplômé Ecole d'Ingénieur ou Master 2 avec spécialisation en Génie Electrique ou en Electrochimie,

Vous avez le goût de l'expérimentation et pour le domaine des batteries

Vous savez rédiger des livrables, et mettre en valeur vos résultats (reporting, présentation PPT). Vous êtes rigoureux et fiable, vous tenez vos engagements. Vous avez une capacité d'analyse et de synthèse, un bon relationnel et l'esprit d’équipe.

Anglais requis, connaissance de Matlab appréciée