Analyse in situ par spectroscopie RMN MAS de batteries Li-ion

In situ Magic Angle spinning NMR analysis of Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Margaux Gros
• Direction : Alan Wong
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Structure et Dynamique par Résonance Magnétique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Battery

Nuclear Magnetic Resonance

Electrochemistry

Magic Angle Spinning

Spectroscopy

In situ

Résumé

La résonance magnétique nucléaire à l'état solide (ssNMR) in situ est un outil de caractérisation précieux pour comprendre les réactions électrochimiques lors du fonctionnement d'une batterie. Cependant, les larges signaux obtenus en condition statique empêchent souvent d'exploiter totalement le potentiel de la caractérisation par RMN. Des expériences ssNMR ex situ, utilisant la rotation d'échantillon à angle magique (MAS), sont souvent nécessaires pour interpréter les données in situ. Comme pour toutes les caractérisations ex situ, les analyses ne représentent pas toujours fidèlement les processus électrochimiques en raison d'artefacts indésirables provenant du démontage de la cellule et de la séparation des électrodes. Par conséquent, le développement de la RMN in situ a été limité. Dans cette thèse l'étudiant s'attaquera à cette limitation en développant une cellule électrochimique RMN in situ permettant l'acquisition de données ssNMR à haute résolution avec la technique MAS, et permettant également une nouvelle méthode de spectroscopie ssNMR résolue dans l'espace. La combinaison de mesures in situ, de la technique MAS et de la spectroscopie localisée permettra de disposer d'un outil RMN unique pour approfondir les connaissances fondamentales de la chimie des batteries. Le doctorant mettra en évidence les atouts de l'outil développé en étudiant des phénomènes tels que les interfaces et la formation de dendrites dans des batteries Li-ion en fonctionnement.

In situ solid-state Nuclear Magnetic Resonance (ssNMR) is a valuable characterization tool to decipher the electrochemical phenomena during battery operation.[1] However, the broad NMR signal lineshapes acquired from the sample static condition often retrain from the full potential of ssNMR characterization. Ex situ ssNMR experiments, using Magic-Angle sample Spinning (MAS), are often necessary to interpret the in situ data.[2] As in any ex situ characterizations, the analyses do not always represent the real electrochemistry because of unwanted artifacts from the ex situ sample preparation, i.e., cell dismantling and electrode separations. Consequently, in situ ssNMR applications have been limited. The Ph.D. student will address this limitation by developing a spinning battery cell for acquiring high spectral resolution ssNMR data under MAS for in situ study, including a new method of spatially-resolved ssNMR spectroscopy. Combining for the first time in situ, MAS and localized spectroscopy would lead to an unprecedented in situ ssNMR tool for deciphering fundamental insights into battery chemistry, which the student will emphasize by studying phenomena such as interfaces and dendrite formation in operating Li-ion batteries.