Expérimentation haut débit appliquée aux matériaux pour batteries // High-throughput experimentation applied to battery materials

Utilisée depuis de nombreuses années dans le domaine de la pharmacie, l’expérimentation ou criblage haut débit (high throughput screening) apparait comme une méthode efficace pour conduire à la découverte accélérée de matériaux et comme un nouvel outil permettant d’élucider les relations composition-structure-propriétés fonctionnelles. Cette méthode est basée sur la synthèse combinatoire rapide d’un grand nombre d’échantillons de compositions différentes, combinée des caractérisations physico-chimiques rapides et automatisées par différentes techniques. Elle est utilement complétée par un traitement de données adapté.
Une méthodologie de ce type adaptée aux matériaux pour batteries lithium a été mise en place récemment au CEA Tech. Elle est basée d’une part sur la synthèse combinatoire de matériaux synthétisés par co-pulvérisation cathodique magnétron sous forme de couches minces, et d’autre part sur la réalisation de cartographies d’épaisseur (profilométrie), de composition élémentaire (EDS, LIBS), de structure (µ-DRX, Raman) et de propriétés électr(ochim)iques de bibliothèques de matériaux (~100) déposés sur un wafer. Une première phase a permis de mettre en place les principaux outils au travers de l’étude d’électrolytes solides amorphes de type Li(Si,P)ON pour batteries tout solide.
L’objectif de cette thèse est de poursuivre le développement de la méthode de manière à permettre l’étude de nouvelles classes de matériaux pour batteries : électrolytes cristallins ou vitrocéramiques pour Li ou Na, matériaux d’électrode oxydes, sulfures ou alliages métalliques. Il s’agira en particulier de tirer parti de nos nouveaux équipements de cartographie des propriétés physico-chimiques (µ-diffraction X, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) et d’établir une méthodologie de fabrication et de caractérisation de bibliothèques d’accumulateurs tout-solide en couches minces. Une partie de ce travail pourra également concerner le traitement des données et la programmation des moyens de caractérisation.
Ce travail sera l’objet de collaborations avec des chercheurs de l’ICMCB et du CENBG
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High throughput screening, which has been used for many years in the pharmaceutical field, is emerging as an effective method for accelerating materials discovery and as a new tool for elucidating composition-structure-functional property relationships. It is based on the rapid combinatorial synthesis of a large number of samples of different compositions, combined with rapid and automated physico-chemical characterisation using a variety of techniques. It is usefully complemented by appropriate data processing.
Such a methodology, adapted to lithium battery materials, has recently been developed at CEA Tech. It is based, on the one hand, on the combinatorial synthesis of materials synthesised in the form of thin films by magnetron cathode co-sputtering and, on the other hand, on the mapping of the thickness (profilometry), elemental composition (EDS, LIBS), structure (µ-DRX, Raman) and electr(ochim)ical properties of libraries of materials (~100) deposited on a wafer. In the first phase, the main tools were established through the study of Li(Si,P)ON amorphous solid electrolytes for solid state batteries.
The aim of this thesis is to further develop the method so as to enable the study of new classes of battery materials: crystalline electrolytes or glass-ceramics for Li or Na, oxide, sulphides or metal alloys electrode materials. In particular, this will involve taking advantage of our new equipment for mapping physical-chemical properties (X-ray µ-diffraction, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) and establishing a methodology for manufacturing and characterising libraries of thin-film all-solid-state batteries. This tool will be used to establish correlations between process parameters, composition, structure, and electrochemical properties of systems of interest. Part of this work may also involve data processing and programming the characterisation tools.
This work will be carried out in collaboration with researchers from the ICMCB and the CENBG
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Nouvelle-Aquitaine (CTREG)
Service : DAQUIT (CTReg)
Date de début souhaitée : 01-10-2024
Ecole doctorale : Ecole Doctorale des Sciences Chimiques (EDSC)
Directeur de thèse : LE CRAS Frédéric
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DEHT/STB/LM
URL : https://www.cea-tech.fr/cea-tech/Pages/en-regions/pfa-materiaux-batteries.aspx

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Nouvelle-Aquitaine (CTREG)
Service : DAQUIT (CTReg)

Ingénieur électrochimiqte