Formulation de matériaux d’électrodes organiques pour batterie Li-ion à faible impact environnemental
Ce projet vise à réaliser un prototype de batterie Li-ion d’une capacité de 500mAh reposant exclusivement sur l’utilisation de matériaux d’électrodes organiques (PTCLi4 pour l’électrode négative et MgLi2pDHT pour l’électrode positive) intégrant un électrolyte polymère développé par le CNRS/LEPMI. Il sera focalisé sur les problématiques de mise en œuvre des matériaux afin de mettre au point des électrodes contenant de faibles quantités de carbones (2mAh/cm2).
Post-doctorat sur le développement et la caractérisation de piles à combustible PEMFC
L’objectif de ce post-doctorat est de comprendre comment un défaut réaliste de fabrication du coeur de pile impacte la dégradation des performances d’un stack PEMFC. Parmi les défauts les plus communs, l’absence de dépôt de couche active (notamment à l’anode où les chargements sont faibles), la présence d’agglomérats, de fissures ou de surépaisseurs dans les couches actives ou au niveau du microporeux des GDL sont souvent rencontrés localement (de l’ordre du cm²). Ici, le projet s’appuiera sur les compétences du LITEN en termes de réalisation d’AME à structure contrôlée (dépôts homogènes, bon interface membrane|électrodes, cartographie du chargement local en catalyseur). Ces AME défectueux, mais aux propriétés contrôlées, seront testés électrochimiquement par le LEMTA et le LITEN.
Il s’agira notamment de coupler astucieusement les différentes méthodes de caractérisations physiques et électrochimiques ex-situ, operando et post-mortem. Parmi elles, la magnéto-tomographie, technique basée sur la mesure du champ magnétique généré par le courant traversant le stack, continuera d’être développée. Ces mesures permettront de quantifier l’effet 3D des défauts au cours du fonctionnement. Enfin, le post-doctorant utilisera les outils existants de modélisation pour améliorer la prédiction de la durée de vie des PEMFC en lien avec les propriétés locales des AMEs en début de vie.
L’ensemble de ces travaux expérimentaux et de simulation permettront de faire le lien entre les hétérogénéités locales de fonctionnement et les mécanismes de dégradations associés aux défauts en fonction de leur nature, ou de leur positionnement. Par conséquent, ADELE permettra de fournir des préconisations de type et de taille de défauts acceptables pour un AME en lien avec les spécifications de fonctionnement et de durée de vie du système PEMFC. Ces travaux donneront lieu à au moins deux publications et trois présentations dans des conférences internationales
Développement d'électrodes positives hybrides à haute densité d'énergie pour des supercondensateurs hybrides au potassium
Dans le but d’augmenter la capacité et donc la densité d’énergie des supercondensateurs hybrides au potassium, une technologie à faible coût sans dépendance aux matériaux critiques et stratégiques, un projet Carnot vise à développer une électrode positive hybride intégrant un matériau capacitif et un matériau faradique.
Le/la post-doctorant(e) contribuera, en collaboration étroite avec les autres personnes du laboratoire et du service, au développement de l’électrode hybride, du matériau à la réalisation de cellules complètes.
Parmi les procédés utilisés, la synthèse des matériaux faradiques, la formulation et l’enduction de l’électrode hybride seront étudiées. Par la suite, des cellules prototypes seront fabriquées puis testées pour évaluer la capacité atteinte et comprendre le mécanisme de stockage de charge résultant de l’association des deux matériaux. Des piles boutons seront tout d’abord réalisées puis des cellules « pouch » se rapprochant de cellules commerciales. À chaque étape des caractérisations spécifiques à ces électrodes seront effectuées. Pour ce travail de recherche et développement, la plupart des essais se déroulement dans les laboratoires de chimie et les salles anhydres de la plateforme batteries.
Nouveaux Catalyseurs Carbonés Durables pour PEMFC
Le but du projet est de développer et de tester pour l’ORR, un matériau à base d’aérogel de graphène mésoporeux et graphitisé, présentant une structuration hiérarchique permettant un meilleur transfert de matière et des domaines graphitiques augmentant la durabilité et la conductivité du matériau final, et fonctionnalisé par des Pt-NPs.
Ces structures de graphène expansé développées à l’IRIG/SyMMES présentent des chimies de surfaces, des micro/méso/macro porosités dépendantes des méthodes de synthèses, fonctionnalisation et de séchage employées. L’objectif sera d’augmenter leur degré de graphitisation, et ensuite de déposer par voie chimique les Pt-NPs. Les propriétés électrocatalytiques de ces matériaux seront ensuite testées.
La caractérisation méso-structurale avancée par diffusion de rayonnement de ces matériaux permettra de corréler propriétés structurales et propriétés catalytiques de ces nouveaux électro-catalyseurs en système pile à combustible. Ce gain de connaissance passera par des analyses ex-situ, mais aussi operando.
Simulation HPC des propriétés mécaniques des électrodes dans les batteries Li-ion
Li-ion batteries are complex multi-physics systems in which chemical reactions, transport phenomena, and mechanical deformation are strongly coupled. The battery electrodes are composed of micrometric granular materials (the microstructure) where the lithium can insert and disinsert, a process that creates internal mechanical stress and strain in the materials and subsequent volumic changes. While it is currently observed that the coupling between electrochemical reactions and mechanical deformation at the microstructure level strongly impacts the battery performances, lifespan and safety, the origin of this impact is poorly understood. The global objective of this position is to better understand the coupling between mechanical deformations of the microstructure and the local conditions of lithium transport in the electrode. The study should lead to practical applications such as recommendation on the electrode design to increase life capability of Li-ion batteries.
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.
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.
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.
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.