Caractérisation moléculaire et imagerie de l'interface électrolyte-solide (SEI) dans des batteries lithium-ion par spectrométrie de masse haute résolution.

Molecular characterisation and imaging of the solid electrolyte interface (SEI) in lithium-ion batteries using high-resolution mass spectrometry.

• Auteur / Autrice : Elsa Forsans
• Direction : Joachim Allouche
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2025
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences analytiques et de Physico-chimie pour l'Environnement et les Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Caractérisation moléculaire

Imagerie

Spectrométrie de masse haute résolution

Batteries lithium-ion

Molecular caratarization

Imaging

High-resolution mass spectrometry

Lithium-ion batteries

Résumé

Le projet REACTIF se concentre sur le développement de méthodes avancées et transdisciplinaires intégrant la chimie analytique, les simulations informatiques et les caractérisations physico-chimiques de surface afin d'étudier et d'améliorer les performances et la durabilité des batteries lithium-ion (LIB). L'un des principaux défis de la technologie LIB réside dans la formation et l'évolution des couches interfaciales au cours des opérations de charge et de décharge de la batterie. Plus précisément, il s'agit de l'interface électrolytique solide (SEI) au niveau de l'anode et de l'interface électrolytique cathodique (CEI) au niveau de la cathode. Ces couches nanométriques, qui se forment au cours des cycles électrochimiques, jouent un rôle crucial dans la stabilité de la batterie, mais sont également au cœur des phénomènes de vieillissement et de perte de performance. Dans le cadre du projet REACTIF, ce travail de doctorat se concentre sur le décryptage au niveau moléculaire des processus chimiques qui régissent la formation et la composition de la SEI et de la CEI. Cette thèse s'axe notamment sur le développement instrumental et méthodologique nécessaire pour coupler des techniques de spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) telles que la FT-ICR-MS avec des techniques sensibles de surface, notamment la ToF-SIMS, la XPS et l'AES, pour l'analyse d'interfaces complexes dans les batteries lithium-ion. Le laboratoire IPREM possède une solide expertise dans le couplage de techniques de surface (ToF-SIMS, XPS, AES) pour l'imagerie chimique à résolution spatiale. L'intégration du FT-ICR-MS améliorera considérablement la résolution moléculaire et la précision analytique, en particulier pour l'identification des espèces organiques/inorganiques impliquées dans les mécanismes de dégradation interfaciale. Les premiers travaux portent sur l'élaboration de protocoles expérimentaux. Le projet se concentrera ensuite sur la mise en place de méthodes d'étalonnage croisé entre les données ToF-SIMS et FT-ICR-MS, en tirant parti de la haute résolution massique du FT-ICR pour affiner les attributions des pics ToF-SIMS. Un outil logiciel interne facilitera l'alignement spectral et le recalibrage de masse. L'interprétation combinée avec XPS et AES intégrera les connaissances antérieures et validera les attributions chimiques. La combinaison de résolutions spatiales complémentaires, de l'échelle nanométrique avec ToF-SIMS et AES à l'échelle micrométrique avec MALDI-FT-ICR-MS, permettra une cartographie multi-échelle des espèces organiques/inorganiques. L'objectif final sera de comprendre l'impact des compositions des électrodes et des électrolytes sur les performances du système, qui sont directement corrélées aux compositions SEI et CEI.

The REACTIF project focuses on developing advanced, transdisciplinary methods that integrate analytical chemistry, computer simulations and physicochemical surface characterisations in order to study and improve the performance and durability of lithium-ion batteries (LIBs). One of the main challenges of LIB technology lies in the formation and evolution of interfacial layers during battery charging and discharging operations. More specifically, these are the solid electrolyte interface (SEI) at the anode and the cathode electrolyte interface (CEI) at the cathode. These nanometric layers, formed during electrochemical cycles, play a crucial role in battery stability, but are also at the heart of ageing and performance loss phenomena. As part of the REACTIF project, this doctoral work focuses on deciphering, at the molecular level, the chemical processes that govern the formation and composition of the SEI and CEI. This thesis focuses in particular on the instrumental and methodological development necessary to couple high-resolution mass spectrometry (HRMS) techniques such as FT-ICR-MS with surface-sensitive techniques, notably ToF-SIMS, XPS and AES, for the analysis of complex interfaces in lithium-ion batteries. The IPREM laboratory has solid expertise in coupling surface techniques (ToF-SIMS, XPS, AES) for spatially resolved chemical imaging. The integration of FT-ICR-MS will significantly improve molecular resolution and analytical accuracy, particularly for the identification of organic/inorganic species involved in interfacial degradation mechanisms. Initial work will focus on developing experimental protocols. The project will then concentrate on establishing cross-calibration methods between ToF-SIMS and FT-ICR-MS data, leveraging the high mass resolution of FT-ICR to refine ToF-SIMS peak assignments. An in-house software tool will facilitate spectral alignment and mass recalibration. Combined interpretation with XPS and AES will integrate prior knowledge and validate chemical attributions. The combination of complementary spatial resolutions, from the nanometre scale with ToF-SIMS and AES to the micrometre scale with MALDI-FT-ICR-MS, will enable multi-scale mapping of organic/inorganic species. The ultimate goal will be to understand the impact of electrode and electrolyte compositions on system performance, which are directly correlated with SEI and CEI compositions.