Synthèse et caractérisation de cristaux plastiques comme nouveaux conducteurs ioniques pour les batteries tout solide de nouvelle génération // Synthesis and characterization of plastic crystals as novel ionic conductors for next generation all-solid-stat

Among the next-generation energy storage technologies, all-solid-state batteries (ASSBs) are very close to commercialization and attracting intense research effort from researchers and companies. By replacing the liquid electrolyte and carbon anode used in Li/Na-ion batteries with a solid electrolyte and a lithium/sodium metal anode, this technology has the potential to achieve 70% higher energy densities than Li/Na-ion batteries, as well as a higher power density that means faster charge and discharge cycles.1
The main limitation to the development of this technology is to identify new inorganic materials with atomic structures that allow the rapid diffusion of lithium/sodium ions at room temperature, with conductivities reaching 10-2 S/cm and above.
The quest to synthesize better ionic conductors is ongoing, with several structural families standing out for their remarkable properties. In recent years, the scientific community has become increasingly interested in a family of materials with remarkable ionic conductivity properties.2–6 Plastic crystals are materials with properties intermediate between a solid and a liquid (Figure 1a).7 They have dynamic crystalline structures with molecular anions undergoing rapid rotational motions that are correlated with rapid cation migration (Figure 1bc). Typically, these materials are stabilized at high temperatures, when they have sufficient energy to allow the reorientation of the anions. To use these materials in next-generation batteries, there is a clear challenge to develop room-temperature plastic crystals with high ionic conductivity.8,9
In this project, we will study the factors controlling the phase transition temperature to the plastic crystal phase, in order to understand how this phase can be stabilized at room temperature. We will use original oxysulfide anions developed in our team, with different symmetry properties to systematically modify the rotational properties of the anion. The synthesis of these materials has already been explored in our team, using low-temperature synthesis methods in aqueous media. We will use these materials, as well as other compositions to be identified, and study their rotational properties as a function of temperature using different characterization techniques.
A better understanding of the structure-property relationships in plastic crystals will guide us to propose new compositions and test them in solid-state batteries.
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Parmi les technologies de stockage d'énergie de nouvelle génération, les batteries tout solide (ASSB) sont très proches de la commercialisation et attirent un effort de recherche intense de la part des chercheurs et des entreprises. En remplaçant l'électrolyte liquide et l'anode en carbone utilisés dans les batteries Li/Na-ion par un électrolyte solide et une anode en lithium/sodium métallique, cette technologie a le potentiel d'atteindre des densités énergétiques 70 % supérieures à celles des batteries Li/Na-ion, ainsi qu'une densité de puissance plus élevée qui signifie des cycles de charge et de décharge plus rapides.1
La principale limitation au développement de cette technologie est d'identifier de nouveaux matériaux inorganiques avec des structures atomiques permettant la diffusion rapide des ions lithium/sodium à température ambiante, avec des conductivités atteignant 10-2 S/cm et plus.
La quête pour synthétiser de meilleurs conducteurs ioniques est en cours, plusieurs familles structurelles se distinguant par leurs propriétés remarquables. Ces dernières années, la communauté scientifique s'est considérablement intéressée à une famille de matériaux aux propriétés de conductivité ionique remarquables.2–6 Les cristaux plastiques sont des matériaux aux propriétés intermédiaires entre un solide et un liquide.7 Ils possèdent des structures cristallines dynamiques avec des anions moléculaires subissant des mouvements de rotation rapides qui sont corrélés à une migration rapide des cations. Généralement, ces matériaux sont stabilisés à haute température, quand ils ont suffisamment d'énergie pour permettre la réorientation des anions. Pour utiliser ces matériaux dans les batteries de nouvelle génération, il existe un défi évident pour développer des cristaux plastiques à température ambiante avec une conductivité ionique élevée.8,9
Dans ce projet, nous étudierons les facteurs contrôlant la température de transition de phase vers la phase de cristaux plastiques, afin de comprendre comment cette phase peut être stabilisée à température ambiante. Nous utiliserons des anions oxysulfures originaux développés dans notre équipe, avec différentes propriétés de symétrie pour modifier systématiquement les propriétés de rotation de l'anion. La synthèse de ces matériaux a déjà été explorée dans notre équipe, en utilisant des méthodes de synthèse à basse température en milieu aqueux. Nous utiliserons ces matériaux, ainsi que d'autres compositions à identifier, et étudierons leurs propriétés de rotation en fonction de la température à l'aide de différentes techniques de caractérisation.
Une meilleure compréhension des relations structure-propriété dans les cristaux plastiques nous guidera pour proposer de nouvelles compositions et les tester dans des batteries tout-solide.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIM (Sciences, Ingénierie, Médecine)

397 Physique et Chimie des Matériaux

Le doctorant doit avoir une appétence forte pour la recherche expérimentale et le travail en équipe. Une expérience antérieure en recherche en synthèse de matériaux inorganiques, en cristallographie et/ou en électrochimie est idéale, mais toute autre expérience en science des matériaux qui pourrait sembler pertinente pour ce projet doit être mise en avant lors de la candidature. Ce projet fera appel à de multiples techniques de caractérisation, nécessitant une bonne communication au sein de l'équipe et avec les collaborateurs pour comprendre et maîtriser les techniques utilisées. Un bon niveau d'anglais est requis, tant à l'écrit qu'à l'oral, car des publications de résultats dans des revues scientifiques et des participations à des conférences internationales sont attendues.
The PhD candidate should have a strong interest for experimental research and teamwork. Previous research experience in synthetic chemistry of inorganic materials, crystallography and/or electrochemistry is ideal, but any other experience in material science that might seem valuable to this project should be put forward during the application. This project will involve multiple characterization techniques, calling for good communication within the team and with collaborators to understand and master the techniques used. A good English level is required, both written and oral, as publications of results in scientific journals and participations to international conferences is expected.