Développement de techniques de mesures in-situ et operando pour l’étude de la performance et du vieillissement de batterie lithium ion par insertion de capteurs internes
Dans le cadre de l’initiative PEPR Batterie portée par le CEA et le CNRS Collège de France, le projet SENSIGA vise à mettre en application les objectifs définis dans la roadmap européenne pour les « Smart Battery » écrit dans le cadre du Large Scale Initiative BATTERY2030+. Le projet porte sur le développement de capteurs innovants pour le monitoring des paramètres critiques des batteries Lithium ion afin d’optimiser les fonctions de BMS (Battery Management System) et d’améliorer leur performance, leur durabilité et leur sécurité. Le poste proposé ici porte sur le développement et la mise en œuvre de techniques de caractérisation in-situ et operando. Le candidat sera amené à participer au développement de capteurs optiques et électrochimiques pour des mesures internes sur cellules Li-ion. Il participera à l’instrumentation des cellules, leurs mises en œuvre dans différentes conditions de cyclage et à l’étude de leurs performances et vieillissement. Il participera à l’analyse des données ainsi qu’à l’étude post-mortem des cellules afin d’identifier les mécanismes de dégradation et effectuer la corrélation entre les mesures issues des capteurs et les phénomènes observés. Le présent post-doctorat s’inscrit dans un travail d’équipe composée d’électro-chimistes, de physiciens, de chimistes et de physiciens optique expérimentés dans le domaine [1-5]. Il se concentrera sur l’instrumentation interne de la cellule et travaillera en étroite collaboration avec un deuxième postdoc dédié à l’instrumentation de cellules par mesures multi-capteurs externe. L’objectif de ces travaux est de fournir un ensemble de données fiables sur les mécanismes de dégradation des cellules et leur monitoring afin d’alimenter les travaux qui seront réalisés par la suite au cours du projet sur la mise en place de fonctions avancées du « Battery Management Systems ».
Postdoc Contrôle Avancé Tolérant aux Défauts pour l'Amélioration de la Durabilité des Piles à Combustible
Les piles à combustible représentent une technologie clé pour les systèmes énergétiques propres et durables, en particulier dans des configurations hybrides pour des applications de transport et stationnaires. Cependant, leur durabilité dans des conditions réelles reste un défi critique. Ce projet vise à relever ces défis en explorant des stratégies de contrôle avancées basées sur des algorithmes de pronostic de pointe pour l’évaluation de l’état de santé des piles à combustible.
Cette offre se concentre sur les sujets de contrôle et optimisation avancés, et plus spécifiquement sur la conception de stratégies de contrôle tolérant aux défauts (FTC).
En s'appuyant sur des travaux antérieurs dans le domaine des pronostics par apprentissage automatique pour l’état de santé des piles à combustible, ce projet vise à développer des méthodes exploitant ces informations de pronostic pour optimiser le fonctionnement du système de pile à combustible. En combinant des approches basées sur des modèles, sur l’apprentissage par la donnée et avec des tests sur des plateformes réelles, ce projet vise à développer des solutions robustes et déployables qui améliorent la durabilité des piles à combustible tout en réduisant la complexité et les coûts de mise en œuvre des solutions avancées.
Développement de cellules Potassium-ion performantes et respectueuses de l'environnement
Les batteries Lithium-ion constituent un système de référence en termes de densité d’énergie et de durée de vie au point de devenir une technologie clé de la transition énergétique notamment en alimentant les voitures électriques. Cependant, cette technologie repose sur une utilisation importante d’éléments peu abondants et sur des procédés de fabrication énergivores.
Dans cette optique, notre équipe développe de nouvelles batteries Potassium-ion présentant des performances élevées et n’utilisant que des éléments abondants et des procédés de fabrication respectueux de l’environnement.
Pour ce projet ambitieux et innovant, le CEA-LITEN (acteur majeur européen dans le domaine de la recherche pour l'énergie) recrute un chercheur post doctoral en chimie des matériaux. L’offre s’adresse à un jeune chercheur talentueux possédant un excellent niveau scientifique et un gout prononcé pour la dissémination de ses résultats au travers de brevets et de publications scientifiques.
Etude de la performance et du vieillissement de batterie lithium ion operando par mesures multi-instrumentée externes
Le poste proposé ici porte sur le développement et la mise en œuvre de techniques de caractérisation in-situ et operando utilisant des capteurs externes à la cellule. Le candidat sera amené à tester et mettre au point des techniques de mesures externes sur cellules Li-ion afin de mesurer les paramètres critiques. Il participera au choix des capteurs, à l’instrumentation des cellules, à leurs mises en œuvre dans différentes conditions de cyclage et à l’étude de leurs performances et vieillissement. Il participera à l’analyse des données ainsi qu’à l’étude post-mortem des cellules afin d’identifier les mécanismes de dégradation et effectuer la corrélation entre les mesures issues des capteurs et les phénomènes observés. Le présent post-doctorat s’inscrit dans un travail d’équipe composé d’électro-chimistes, de physiciens, de chimistes et d’opticiens. Il se concentrera sur l’instrumentation externe de la cellule et travaillera en étroite collaboration avec une équipe composée de plusieurs ingénieurs, chercheurs, doctorants et postdoctorant. L’objectif de ces travaux est de fournir un ensemble de données fiables sur les mécanismes de dégradation des cellules et leur monitoring afin d’alimenter les travaux qui seront réalisés dans le cadre du projet SENSIGA sur la mise en place de fonctions avancées du Batterie Management System (BMS).
Le poste est à pourvoir au sein du laboratoire d’Analyse Electrochimique et Post-Mortem du LITEN au CEA de Grenoble et se fera en collaboration avec Nicolas Guillet (LITEN/L2SA sur le site de l’INES) pour la partie de capteurs acoustiques.
Simulations massivement parallèles de piles à hydrogène PEM
L'objectif est d'améliorer le code TRUST-FC développé conjointement par le LITEN/DEHT/SAMA et DES/ISAS/DM2S/STMF/LGLS pour la simulation fine des piles à hydrogène PEM et de l'appliquer à des géométries réelles. Financé par le laboratoire virtuel commun AIDAS (CEA/FZJ), un premier travail a permis de construire le modèle électro-chimique et fluidique complet basé sur le code CEA TRUST, et de le comparer avec son homologue basé sur OpenFoam. Suite à cela, le candidat adaptera l'ensemble de la chaine de calcul à des maillages de taille croissante pour arriver à des maillages de plaques bipolaires complètes de plusieurs centaines de millions d'éléments. D'autre part, il introduira des modèles d'écoulements diphasiques afin d'adresser les enjeux technologiques actuels(problèmes d'assèchement ou de noyage local).
Cet ambitieux projet est activement soutenu par une collaboration étroite avec la DES et avec FZJ.
Développement de capteur optique in-situ et operando appliqué aux batteries Li-ion
Le développement des batteries Li-ion présente une forte croissance depuis une dizaine d’années. L’amélioration des performances, de la sécurité et de la durabilité, sont les axes principaux de recherche dans le domaine. Les mécanismes mis en jeux dans le fonctionnement et le vieillissement sont complexes et leur compréhension nécessite des mesures operando et in situ aux différentes échelles du nano au macroscopique. Le CEA s’est donné comme objectif, à travers un projet de recherche, de développer une sonde locale optique pour la mesure in situ et operando des paramètres physiques (température, déformations mécaniques) et chimiques (concentration locale en ion lithium) lors du fonctionnement d’une batterie Li-Ion. En intégrant une équipe pluridisciplinaire, le/la candidat(e) participera dans un premier temps au développement des sondes optiques et leurs intégrations sur des fibres optiques : à savoir la synthèse des sondes optiques et chimiques, leurs intégrations à la surface de fibres optiques et leurs caractérisations. Le/la candidat(e) participera également à la réalisation du montage optique et aux campagnes d’essais. Les capteurs développés seront intégrés à des cellules Li-ion et testés sous différentes conditions afin de tester l’efficacité du capteur développé et établir une première preuve de concept.
Simulation des phénomènes de noyage dans les PEMFC
La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est aujourd’hui considérée comme une solution pertinente pour une production d’énergie électrique décarbonée, aussi bien pour des applications transport que stationnaire. La gestion des fluides à l’intérieur de ces piles a un impact important sur leur performance et leur durabilité. Les phénomènes de noyage dus à l’accumulation d’eau liquide sont bien connus pour nuire au fonctionnement des piles, provoquant des chutes de performance et des dégradations pouvant être irréversibles. Avec l’utilisation de canaux de plus en plus fins dans des piles toujours plus compactes, ces phénomènes deviennent de plus en plus fréquents. L’objectif de ce post-doc est de progresser dans la compréhension du noyage dans les PEMFC. Les travaux consisteront à analyser le lien entre les conditions de fonctionnement, le design des canaux et les matériaux utilisés dans les cœurs de pile. Ils seront basés sur une approche de modélisation des écoulements diphasiques à différentes échelles, en commençant par une échelle locale au niveau d’une dent et d’un canal, pour parvenir, via une remontée d’échelle, jusqu’au niveau de la cellule complète. L’étude s’appuiera également sur de nombreux résultats expérimentaux obtenus au CEA ou dans la bibliographie.
Purification de l’hydrogène issu d’un reformeur par un dispositif électrochimique
Ce projet vise à mettre en place un nouvel axe de recherche et développement sur les dispositifs de purification pour les reformeurs pour alimenter les piles à combustible en hydrogène. Ce travail est de première importance pour réaliser des systèmes à base de piles à combustible alimentés par différentes sources d’hydrocarbures. Utilisée en mode « power full » ou « range extender », le reformeur et son système de purification des gaz sont des éléments de la chaîne qu’il convient d’optimiser
L’objectif du projet est de proposer un dispositif électrochimique de purification du gaz issu d’un reformeur dont le principe de base s’apparente à celui d’un électrolyseur PEM. Les gaz issus du reformeur subissent une oxydation électrocatalytique sélective permettant de séparer l’hydrogène des polluants usuels et d’alimenter directement une pile à combustible.
Le projet portera principalement sur la sélection et la caractérisation des performances électrocatalytiques de catalyseurs ainsi que la réalisation de prototypes fonctionnels.
Ces développements permettront d’évaluer la pertinence économique du dispositif vis-à-vis d’autres systèmes et d’identifier les axes de recherche à développer par la suite.
Modélisation Multi-échelle des mécanismes de dégradation des polymères électrolytes dans le Piles à Combustible
Dans le cadre des études sur les phénomènes physico-chimiques intervenants dans les Piles à Combustibles, le groupe de modélisation du CEA Grenoble/LCPEM a développé un nouveau modèle multi-échelle, MEMEphys, qui décrit les phénomènes d’électrocatalyse dans les PEFC.
L’activité post-doctorale que nous proposons consistera au développement du modèle, avec la prise en compte d’une description des phénomènes de transport d’eau et de condensation. Une attention particulière sera portée aux hétérogénéités électrochimiques et aux processus de vieillissements induits par l’eau. Afin d’établir une relation entre les performances et structure et d’élucider les phénomènes de dégradation dans le MEA, le candidat devrait combiner des données expérimentales et théoriques obtenues dans nos laboratoires. D’un point de vue fondamental, ce travail nous amènera une compréhension plus profonde des mécanismes électrochimiques qui sont responsables du vieillissement des couches actives dans les Piles à Combustible à différentes échelles temporelles.
Membranes conductrices protoniques à base de réseaux interpénétrés de polymères pour piles à combustible
Ce sujet se place dans le cadre du développement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC), et a plus précisément pour objectif d’améliorer leur performance et leur durée pour un fonctionnement au-dessus de 100°C à faible humidité relative.
Les membranes perfluorosulfonées de type Nafion® constituent la référence pour la PEMFC du fait qu’elles présentent à la fois une conductivité protonique élevée à l’état hydraté ainsi qu’une bonne stabilité chimique. Néanmoins, leur conductivité protonique à une humidité relative inférieure à 70% chute, notamment au-dessus de 100°C, en raison d’une densité de groupements conducteurs trop faible. Cette caractéristique constitue une limitation majeure pour leur utilisation dans les conditions de fonctionnement propres au cahier des charges de l’application automobile. Avec ce type de polymère, l’augmentation de la densité de groupe sulfonique se traduit par une diminution de la stabilité mécanique et dimensionnelle des membranes. Or, cette stabilité est déjà faible et pose des problèmes de durée de vie. L’objectif de ce sujet est de réaliser de nouvelles structures de membrane à base de réseaux interpénétrés de polymères permettant de lever l’antagonisme entre conduction protonique et stabilité mécanique. Cette stratégie, récemment brevetée par le CEA (brevet n°08 06890), repose sur l’association de deux réseaux de polymères imbriqués l’un dans l’autre, l’un sulfoné conférant les propriétés de conduction et l’autre fluoré conférant la stabilité chimique et mécanique.
Le post-doctorant fabriquera les membranes et caractérisera leurs propriétés mécaniques, de conduction protonique, de perméabilité aux gaz. Il évaluera également leurs performances et leur durée de vie en pile à combustible.