Développement d’hydrures métalliques légers comme matériaux d’électrode négative pour batterie protonique en électrolyte liquide ionique.

Contexte et objectifs

Les accumulateurs électrochimiques sont des dispositifs de choix pour la mobilité et constituent un verrou majeur pour la conversion énergétique, leur amélioration étant rendue nécessaire par les besoins accrus de stockage. Parmi les familles d’accumulateurs, les batteries nickel-métal hydrure trouvent leurs principales applications dans les véhicules hybrides, les tramways et les outils portables. Ces batteries utilisent du KOH concentré comme électrolyte, ce qui les rend compétitives via leur sécurité et leur faible coût. Toutefois, cet électrolyte pénalise le choix de matériaux pour ce type d’accumulateurs à cause de la corrosion qu’il entraîne[1]^,[2] et limite la densité d’énergie par la fenêtre électrochimique de l’eau.

Les liquides ioniques protiques, eux, autorisent une fenêtre électrochimique plus large, de l’ordre de 3 à 4 V. Leurs conductivités ioniques > 8 mS.cm^-1 à 25°C grâce aux protons mobiles permettent d’envisager leur utilisation comme électrolyte dans un accumulateur. Enfin, leur stabilité thermique au-delà de 100°C garantit la sécurité des systèmes développés à partir de cette technologie[3]^,[4].

Le projet ANR H-BAT a pour ambition de développer une nouvelle génération de batteries protoniques combinant : une électrode négative de type hydrure métallique de grande capacité spécifique, une électrode positive de type phosphate métallique travaillant à haut potentiel et un électrolyte de type liquide ionique protique. Ces batteries, sûres, présenteront une longue durée de vie et une plus grande densité énergétique que les batteries alcalines actuelles.

Méthodologie et missions du doctorant

Au sein du projet ANR H-BAT, l’objectif de la thèse proposée se focalise sur la partie électrode négative et sur l’interaction électrode-électrolyte. Le but sera de pouvoir utiliser comme électrode négative, en milieu liquide ionique, des alliages de grande capacité spécifique qui sont impossibles à développer en milieu KOH à cause de la corrosion. Le travail de thèse consistera donc dans un premier temps à élaborer des alliages pouvant absorber de l’hydrogène et de les caractériser d’un point de vue physico-chimique et thermodynamique. Puis, leur comportement sera étudié en milieu liquide ionique protique : capacité de cyclage, interactions et vieillissement.

Les missions du doctorant seront les suivantes :

_ Synthétiser des alliages hydrurables légers (à base de magnésium, ou dans le système TiFe) par élaboration métallurgique (broyage sous hydrogène, fusion, en fonction de la famille d’alliages)

_ Caractériser les alliages élaborés d’un point de vue physico-chimique (DRX, EPMA, MEB, MET si besoin) et mesurer leurs propriétés  thermodynamiques de sorption de l’hydrogène.

_ Tester le comportement électrochimique en cyclage galvanostatique de ces alliages, dans un électrolyte à base de liquide ionique protique, en optimisant les conditions expérimentales. Un électrolyte alcalin sera utilisé comme référence. Les électrolytes liquides ioniques seront synthétisés au laboratoire de Réactivité de Surface (LRS, Sorbonne Université) qui est impliqué dans la thèse et dans le projet ANR.

_ Etudier les interactions entre le liquide ionique et les matériaux d’électrode négative présentant des résultats en cyclage intéressants (caractérisation de l’électrode et de l’électrolyte après cyclage, étude de la corrosion calendaire de l’alliage en stockage dans l’électrolyte sans cyclage électrochimique,  étude des mécanismes d’absorption de l’hydrogène dans le matériau, etc.). Cette partie de la thèse sera réalisée en collaboration avec le LRS.

Intérêt du sujet

Le projet ANR dans lequel s’inscrit la thèse proposée vise à établir un nouveau concept de batterie, il s’agit donc d’un challenge scientifique de taille, qui a pour but à long terme de répondre à un enjeu de société majeur : l’augmentation des besoins de stockage de l’énergie dans le cadre de la transition énergétique. C’est également l’opportunité d’acquérir un vaste panel de compétences : maîtrise d’outils expérimentaux à la fois en science des matériaux et en électrochimie, communication dans des communautés d’experts et vulgarisation scientifique, gestion d’un projet de longue durée (la thèse) et enfin participation à un projet ANR collaboratif entre plusieurs équipes de recherche.

Informations pratiques

La thèse se déroulera à l’Institut de Chimie et des Matériaux de Paris-Est (Thiais) et au laboratoire de Réactivité de Surface (Paris). La thèse sera dirigée par Judith Monnier et co-encadrée par Junxian Zhang. Côté LRS, Mireille Turmine et Vincent Vivier seront impliqués. Elle débutera le 1^er octobre 2022, pour une durée de 3 ans.

Niveau d’études BAC + 5 (diplôme d’ingénieur ou Master 2 recherche) avec une spécialité en Sciences des matériaux (ou métallurgie) et un parcours d’excellence. Le suivi d’enseignements en électrochimie et/ou de matériaux pour l’énergie (batteries, etc.) sera un plus. Goût pour le travail expérimental, autonomie, rigueur, prise d’initiative Maîtrise de l’anglais oral et écrit.