Enquête operando sur la dégradation chimio-mécanique dans un électrolyte solide à base de sulfure

Operando investigation of chemo-mechanical degradation in sulfide-based solid electrolyte

• Auteur / Autrice : Oskar Thompson
• Direction : Claire Villevieille
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 09/02/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.

Mots clés

Mots clés libres

Enquête operando

Dégradation chimio-mécanique

Électrolyte solide

Chemo-mechanical degradation

Operando investigation

Solid electrolyte

Résumé

Depuis la commercialisation de la première batterie Li-ion au début des années 90, des progrès considérables ont été réalisés pour améliorer la densité d'énergie et de puissance des batteries. réalisés pour améliorer la densité d'énergie et la densité de puissance des batteries. Malheureusement, et malgré tous les efforts déployés pour améliorer les batteries Li-ion, cette technologie commence à atteindre ses limites. en raison de plusieurs facteurs tels que i) les préoccupations récentes concernant la disponibilité du Li, ii) les questions relatives à la sécurité et, enfin, iii) la difficulté de mettre en place un système de gestion de l'énergie. sécurité et enfin, iii) la difficulté de remplacer l'électrode négative de l'hôte Li par du métal Li. Une alternative alternative pour fabriquer des batteries plus sûres et à haute énergie est de remplacer l'électrolyte liquide à base organique inflammable par un électrolyte solide et de remplacer le matériau hôte Li par du métal Li. Plusieurs familles d'électrolytes solides (SE) sont rapportées dans la littérature, parmi lesquelles des oxydes, des thiophosphates, des polymères, des sulfures et bien d'autres, les polymères, les sulfures et bien d'autres. Sur la base de leur facilité de synthèse/fabrication, nous avons étudié Nous étudions les électrolytes solides à base de sulfure et proposons de les caractériser de manière approfondie dans une approche multi-échelle operando multi-échelle en utilisant des expériences en laboratoire et des installations à grande échelle. Jusqu'à présent, aucune solution commercialement solution commercialement viable n'a été réalisée en raison des multiples inconvénients dont souffrent ces matériaux, principalement liés à la dégradation chimio-mécanique et aux problèmes interfaciaux. En effet, dans les piles à l'état solide En effet, dans les batteries à l'état solide, la fenêtre de potentiel très étroite (moins de 1 V) couplée à de multiples interfaces, génère un grand nombre de dégradations chimiques locales. de nombreuses dégradations chimiques locales. Les dégradations mécaniques peuvent provenir i) du processus de frittage et ii) de la 'respiration' des matériaux d'électrode pendant le cyclage. Enfin, l'instabilité intrinsèque entre les matériaux de la cathode (composés d'oxydes lithiés) et l'électrolyte solide à base de sulfures conduit à une décomposition chimique accrue générant des produits isolants et des problèmes mécaniques. La combinaison de ces dégradations chimico-mécaniques fait des batteries à l'état solide basées sur des électrolytes solides à base de sulfures un problème d'ingénierie. électrolytes solides à base de sulfures un défi d'ingénierie pour améliorer et stabiliser la performance électrochimique pour une future commercialisation. performances électrochimiques en vue d'une future commercialisation. Dans le cadre d'un projet conjoint avec le CEA-IRIG et l'ILL à Grenoble, nous recherchons un doctorant pour travailler sur la caractérisation de batteries solides utilisant un électrolyte solide à base de thiosulfates et pour améliorer les performances électrochimiques du système étudié. Comprendre la réactivité de l'électrolyte solide électrolyte solide (à base de sulfure) et les propriétés de transport des ions Li-ion dans la cellule électrochimique au moyen de techniques de caractérisation avancées à l'échelle du laboratoire. des techniques de caractérisation avancées à l'échelle du laboratoire et des installations à grande échelle aidera à concevoir de meilleures batteries à l'état solide. Plusieurs techniques telles que la spectroscopie d'impédance couplée à la mesure dilatométrique et l'émission acoustique sont prévues pour améliorer les connaissances sur les phénomènes de masse/interfaciaux. phénomènes de masse/interfaciaux, tandis que la diffraction neutronique operando devrait aider à étudier la stabilité de la masse. stabilité. Le candidat doit être titulaire d'un master ou d'un diplôme d'ingénieur en science des matériaux, chimie, physique ou dans un domaine connexe. Des connaissances en électrochimie et en batteries sont requises. des connaissances sur les batteries à l'état solide seraient un atout. Nous offrons un contrat de 3 ans obtenu à partir d'un projet ANR 'OpInSolid'. Le doctorant travaillera en étroite collaboration avec un postdoc également embauché pour ce projet Traduit avec www.DeepL.com/Translator (version gratuite)

Since the commercialization of the first Li-ion battery in the early 90s', drastic progresses have been made in improving the energy density and power density of the batteries. Unfortunately, and despite all the efforts made to improve the Li-ion batteries, this technology starts to reach its limitations owing to several factors like i) the recent concerns about the availability of Li, ii) the issues regarding safety and finally, iii) the difficulty to replace the Li host negative electrode by Li metal. One alternative for making safer and high energetic batteries is to substitute the flammable organic based liquid electrolyte with a solid one and to replace the Li host material by Li metal. Several families of solid electrolytes (SE) are reported in the literature, among them oxides, thiophosphates, polymers, sulfides and many others. Based on their ease of synthesis/manufacturing, we investigate sulfide-based solid electrolytes and propose to thoroughly characterize them in an operando multiscale approach using laboratory experiment and large-scale facilities. To date, no commercially viable solution has been realized because of the multiple drawbacks suffered by these materials, mostly related to chemo-mechanical degradation and interfacial issues. Indeed, in solid-state batteries, the very narrow potential window (less than 1 V) coupled to multiple interfaces, generate a lot of local chemical degradations. Mechanical degradation may arise from i) the sintering process and ii) the “breathing” of the electrode materials during cycling. Finally, the intrinsic instability between the cathode materials (made of lithiated oxides) and the sulfides-based solid electrolyte leads to enhanced chemical decomposition generating insulating products and mechanical issues. The combination of those chemo-mechanical degradations makes the solid-state batteries based on sulfide solid electrolytes an engineering challenge to improve and stabilize the electrochemical performance for a future commercialization. In a joint project with CEA-IRIG and ILL in Grenoble, we are looking for a PhD student to work on the characterisation of solid-state batteries using thiosulfates solid electrolyte and to improve the electrochemical performance of the system studied. Understanding the reactivity of the solid electrolyte (sulphide based) and the Li-ion transport properties in the electrochemical cell by means of advanced characterisation techniques at laboratory scale and large-scale facilities will help to design better solid-state batteries. Several techniques such as impedance spectroscopy coupled to dilatometric measurement and acoustic emission are planned to improve the knowledge about bulk/interfacial phenomena, whereas operando neutron diffraction should help addressing the bulk stability. The applicant should hold a master degree or engineering degree in Material Science, Chemistry, Physics or related field. Knowledge in electrochemistry and batteries is required and knowledge on solid state batteries would be an asset. We are offering 3 years contract obtained from an ANR project “OpInSolid”. The PhD student will work on close collaboration with a postdoc also hired for this project