Développement d’électrolytes polymères nanoporeux pour les batteries lithium métal

Contexte du projet : Ces dernières années, les batteries au lithium (BLi) ont fait l'objet d'une grande attention en tant que systèmes de stockage d'énergie, notamment pour les appareils électroniques portables et les véhicules électriques, en raison de leur densité d’énergie élevée et de leur longue durée de vie. Les séparateurs utilisés dans ce type de batterie isolent physiquement les électrodes pour éviter les courts-circuits, tout en permettant aux ions lithium (Li⁺) de circuler librement à travers les pores des séparateurs. Ils sont un élément clé des BLi et ont un effet considérable sur les performances de la batterie. Les membranes macroporeuses à base de polyoléfine ont été largement utilisées comme séparateurs dans les BLi en raison de leur bonne résistance mécanique et de leur stabilité électrochimique acceptable. Toutefois, les inconvénients intrinsèques des séparateurs à base de polyoléfine, tels qu'une mauvaise mouillabilité/absorption de l'électrolyte liquide et une faible stabilité thermique, limitent considérablement le développement de la technologie BLi. Plus précisément, les séparateurs à base de polyoléfine sont peu compatibles avec les électrolytes liquides et les électrodes en raison de leur faible polarité et de leur tension de surface. La faible mouillabilité/absorption de l'électrolyte liquide limite le transport du Li⁺ et diminue les performances lors des cycles de charge/décharge. La faible stabilité thermique des séparateurs en polyoléfine entraîne un court-circuit interne à haute température et pose des problèmes de sécurité. Pour résoudre ces problèmes, de réels efforts de recherche ont été consacrés aux développements des séparateurs plus polaires et thermiquement plus stables. C’est précisément dans ce contexte que s’inscrit le sujet de thèse dont l’objectif principal consistera à préparer et caractériser des membranes électrolytes poreuses de polymère dotées de pores cylindriques nanométriques macroscopiquement orientés et perpendiculaires aux électrodes.

Mission : Le programme de travail du doctorant(e) sera centré sur le développement d’électrolytes polymères nanoporeux. Le premier volet de la thèse consistera en la synthèse de copolymères à blocs dégradables en vue de la préparation de membranes nanoporeuses. Dans un deuxième volet, un travail de caractérisation chimique et physique approfondie des électrolytes polymères poreux sera mené pour établir la relation structures-propriétés. Une attention particulière sera portée sur la caractérisation de la dynamique des espèces ioniques dans le milieu confiné et à travers les nanopores. Cette phase sera menée à l’Institut Laue Langevin (Grenoble) sous la direction du Dr Jean-Marc ZANOTTI en utilisant les techniques avancées de la diffusion des neutrons.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR « 2POLI » en collaboration avec les laboratoires IEM (Univ. Montpellier), LLB (CEA – Institut Laue Langevin, Grenoble) et LEPMI (INP Grenoble).

L’Institut de Chimie Radicalaire ICR (UMR7273) est une Unité Mixte de Recherche ayant l’Université d’Aix-Marseille et le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) comme tutelles. Créée le 1 janvier 2012, l’ICR est rattaché à l’INstitut de Chimie (INC) du CNRS. D’un point de vue scientifique La création de l’UMR résulte d’une forte volonté de regrouper les compétences complémentaires d’équipes de recherche spécialisés en chimie radicalaire et d’y associer l’expertise, de deux équipes, centrée sur les méthodes de modélisation (MQ et MM) et la caractérisation moléculaire ou macromoléculaire respectivement.

D’une manière générale l’objectif de l’Unité est double et consiste à :

- Explorer, contrôler et utiliser la réactivité des espèces radicalaires dans des processus chimiques ou biologiques.

- Créer de nouvelles espèces radicalaires stables pour des applications ciblées.

Le candidat recherché devra justifier d’un master ou d’un diplôme d’ingénieur en science des matériaux polymères assorti d’une bonne maitrise des outils analytiques (RMN, CES, DSC, ATG, …). La connaissance des techniques de caractérisations électrochimiques notamment en spectroscopie d’impédance serait un atout. De plus, la personne choisie doit être motivée et dynamique, autonome au laboratoire et apte à présenter les résultats de ses travaux de recherche lors des réunions avec les différents partenaires du consortium.

Une bonne capacité d’organisation et du respect des engagements du candidat, un savoir-faire relationnel, ainsi qu’un esprit critique, seront particulièrement appréciés pour mener à bien ce projet.