Développement de composants magnétiques fabriqués par impression 3D
Accélérer le développement de nouveaux composants magnétiques permettant de répondre aux enjeux du déploiement des semi-conducteurs à grand gap pour la conversion de puissance. Des gains incrémentaux sur les géométries de composants magnétiques sont obtenus dans l’état de l’art par des configurations de type planaire, mais une véritable rupture en termes de compacité et de rendement pourrait être atteinte grâce à des noyaux magnétiques conçus avec des gradients de propriétés magnétiques. L’objectif du projet est de mettre en oeuvre des techniques de fabrication additive (FA) indirectes déjà étudiées au DMAT et au DTNM pour Concevoir des architectures magnétiques innovantes en maitrisant les étapes de cofrittage. Le projet se concrétisera par une évaluation sur un démonstrateur (inductance) conçue pour atténuer les phénomènes parasites critiques apparaissant aux interfaces entre les conducteurs et le noyau magnétique. Les matériaux magnétiques seront des ferrites déjà identifiés pour un fonctionnement à haute fréquence. La base de données sur ces matériaux, combinée aux outils de modélisation développés et le retour d’expérience acquis sur les procédés de FA permettront d’aborder plus largement des applications en électronique de puissance.
Recyclage des métaux d'intéret de panneaux solaires photovoltaïques
La production mondiale d'énergie solaire en 2023 a dépassé 1 TW, représentant les 3/4 de la production d'énergie renouvelable globale. D'après les projections, cette production sera doublée d'ici 10 ans, et multipliée par 20 d'ici 2050. Ce développement massif de la technologie solaire photovoltaïque induit de fait l'augmentation du volume de déchets liés à la fin de vie des panneaux solaires.
Il est essentiel de mettre en place dès aujourd'hui des méthodes de recyclage des métaux intégrés dans les panneaux solaires qui seront à traiter dans quelques années. Parmi ces métaux, l'argent et le cuivre sont des métaux stratégiques et dont la valeur commerciale rend le recyclage particulièrement intéressant.
Le but de ce projet est de développer une voie chimique de recyclage de l'argent et du cuivre sous forme de nanoparticules bimétalliques de type Cu@Ag. Ces nanoparticules devront être obtenues à partir de concentration en ces métaux classiquement rencontrées dans les cellules solaires c-Si. L'intérêt d'obtenir des nanoparticules réside dans leur capacité à être utilisées dans la conception d'encres conductrices utilisées pour la métallisation de cellules solaires en silicium. Une seconde étape consistera donc à formuler une encre à partir des nanoparticules obtenues.
Dans le cadre de la collaboration avec le LPH du centre CEA INES, la ou les encres préparées seront testées dans la métallisation de cellules solaires en silicium. Enfin, leurs performances seront mesurées et comparées à celles d'encres commerciales.
Aimants permanents pauvres en terres rares
La transition énergétique va entrainer une très forte croissance de la demande en terres rares (TR) au cours de cette décennie, notamment en ce qui concerne les éléments (Nd, Pr) et (Dy, Tb). Ces TR, classées comme matériaux critiques, sont utilisées de façon quasi exclusive pour produire des aimants permanents de type NdFeB dont ils constituent 30% de la masse.
Plusieurs études récentes, visant à identifier de nouveaux alliages pauvres en TR et présentant des performances comparables à la phase magnétique dense Nd2Fe14B, positionnent les composés ferromagnétiques durs de type TR-Fe12 comme des solutions de substitution crédibles, permettant d'économiser plus de 35% la quantité de TR tout en gardant des propriétés magnétiques intrinsèques proches de celles de la composition Nd2Fe14B. Cependant, les développements industriels de ces alliages ne peuvent pas encore être envisagés du fait de verrous technologiques et scientifiques importants qui restent à lever afin de pouvoir produire des aimants denses de type TR-Fe12 dont la résistance à la désaimantation serait suffisante pour les applications courantes (coercitivité Hc > 800 kA/m)..
Le but du projet post-doctoral proposé est de développer des alliages Nd-Fe12 avec des performances magnétiques intrinsèques optimales et de maitriser le frittage basse températures des poudres nitrurées pour obtenir des aimants denses, avec des coercitivités > 800 kA/m, pour répondre à des applications dans la mobilité électrique.
Deux verrous technologiques et scientifiques ont été identifié:
- la compréhension du rôle des phases secondaires aux joint de grains sur la coercitivité. Ceci permettra d'implémenter le procédé d'ingénierie aux joints de grains, connu pour avoir apporté des améliorations significatives dans la coercitivité pour les aimants NdFeB
- la maitrise de l'étape de frittage des poudres à basses températures, pour éviter la décomposition de la phase magnétique, en utilisant les phases aux joints de grains
Fonctionnalisation de bois par CO2 supercritique
Dans l'optique de substituer les matériaux de construction actuels à fort impact environnemental, le CEA poursuit des travaux de recherche consistant à fonctionnaliser chimiquement des bois issus des filières françaises afin de leur apporter des propriétés leur permettant de concurrencer ces matériaux usuels, ou les bois de construction importés.
Dans ce cadre, la chimie sous CO2 supercritique apparait être un moyen de mener des chimies innovantes tout en limitant l'impact des procédés sur les consommations énergétiques et en limitant les émissions de COV.
Ainsi, vous travaillerez sur le développement de nouveaux procédés de modification chimiques d'essences de bois locales sous CO2 supercritique. Vos responsabilités incluront la bonne tenue du projet de recherche (état de l'art, propositions de chimies adaptées, expérimentations, caractérisations) et des délais et livrables associés.
Conception d’alliages à Haute entropie (thermodynamique prédictive, Machine learning) et fabrication rapide par frittage SPS
Le travail proposé vise à utiliser des méthodes de fouille de données (réseaux de neurones artificiels, Random Forest, processus Gaussiens) combinée avec la thermodynamique prédictive (méthode CALPHAD) pour découvrir de nouveaux alliages HEA dans le domaine à 6 éléments Fe-Al-Ni-Co-Mo-Cr. Des méthodes expérimentales de densification rapide (frittage assisté par courants électromagnétiques pulsés (SPS pour Spark Plasma Sintering)) et de dispense automatisée de poudre seront utilisées pour la fabrication rapide des compositions identifiées. Des méthodes de caractérisation semi-automatisées permettront d’alimenter des bases de données avec des mesures rapides de propriétés physiques (densité, taille de grains, dureté). La prédiction de propriétés d’usage pour deux cas d’application (corrosion par des sels fondus et propriétés mécaniques pour application structurale) sera réalisée et les alliages correspondant élaborés pour validation expérimentale.
Micro-sources d’énergie pour applications biomédicales
On constate ces dernières années un intérêt croissant pour les systèmes sans fil implantables permettant une détection et un contrôle biomédical in vivo. Cependant, ces dispositifs implantés ont des durées d’utilisation limitées par les performances de stockage des batteries nécessitant une intervention chirurgicale régulière pour le remplacement de celles-ci. Dans le cadre du développement de sa nouvelle activité «microsources d’énergie pour le biomédical», le CEA LITEN (Laboratoire d’Innovation pour les Technologies des Energies Nouvelles et les nanomatériaux) renforce son équipe système. Le CEA LITEN développe des systèmes miniaturisés innovants intégrant un composant de récupération d’énergie avec une batterie rechargeable. Ce type de micro-systèmes permettra d’alimenter des dispositifs biomédicaux implantés in vivo, comme par exemple des capteurs de glucose capables de mesurer en temps réel le taux de glucose dans le sang d’une personne diabétique. Le post-doctorant sera en charge de la conception, la réalisation et la caractérisation de démonstrateurs intégrant le dispositif de récupération d’énergie, la batterie et une unité de gestion de puissance. Afin de dimensionner le système, des simulations numériques sont également envisagées, en collaboration avec des ingénieurs spécialisés. La caractérisation des démonstrateurs et les résultats des simulations numériques devront permettre au post-doctorant d’apporter des solutions innovantes pour optimiser le système. Le post-doctorant sera amené à travailler au sein d’une équipe dynamique et multidisciplinaire et aura à interagir fortement avec d’autres ingénieurs (matériaux, électronique, etc.) ce qui nécessitera une ouverture d’esprit et des capacités de communication.
Développement d’une cellule à Metal Support pour la production d’Hydrogène par Electrolyse à Haute Température
Le développement de Cellules à Métal Support (CMS) pour l’Electrolyse à Haute Température (EHT) constitue une innovation intéressante pour limiter les dégradations en fonctionnement de ces composants. L’augmentation de la durée de vie des cellules contribuera à réduire les coûts de revient et à positionner l’EHT comme une alternative réaliste face aux autres technologies de production d’hydrogène. La maîtrise de l’élaboration des CMS constitue toutefois un verrou important. Dans les procédés actuels, les couches fonctionnelles de la cellule sont constituées de matériaux céramiques qui sont assemblées avec le substrat métallique poreux à haute température (> 1000 °C). Les différences de comportement mécanique de ces matériaux ainsi que les conditions réductrices imposées par le métal conduisent aujourd’hui à des cellules dont les performances sont insuffisantes par rapport au cahier des charges. L’objectif du post-doctorat sera d’acquérir une meilleure connaissance des mécanismes intervenant lors de l’assemblage et de proposer et de tester des solutions technologiques pour fiabiliser l’élaboration de Cellules à Métal Support.
Mise en mouvement de gouttes par effet de gradient d’énergie de surface
La mise en mouvement de gouttes par effet d’électro-mouillage est maintenant étudiée et utilisée dans de nombreux systèmes et applications. Pour être opérante cette technique nécessite d’utiliser un champ électrique. Dans le cadre de cette étude postdoctorale, l’objectif est d’établir une méthode alternative à l’utilisation d’un champ électrique pour assurer la mise en mouvement d’une goutte de liquide. Aussi, l’élaboration de surfaces à gradient d’énergie de surface, réalisées par dépôt de couches minces ou par technique de texturation (ablation laser), est prévue. La principale difficulté technique va résider dans la maîtrise de la réalisation des motifs pour l’obtention de surfaces à énergie de surface différentes. En dehors des techniques dites « classiques » de réalisation de surface à gradient d’énergie de surface, une technique alternative avec utilisation de molécules activables par modification, soit du potentiel hydrogène (pH), soit de la température de paroi sera aussi étudié. Pour toutes les surfaces, un travail sur l’étude du couplage entre le gradient d’énergie de surface et la présence d’un gradient thermique sur la dynamique de déplacement de goutte sera aussi effectué.
Recyclage batteries : developpement et compréhension d'un nouveau concept de désactivation des batteries lithium ion domestiques
Le marché des batteries domestiques (équipements électroniques, portatifs, téléphones) connait une croissance exponentielle. D'ici à 2023, ce marché devrait progresser de plus de 30%. Avec l'adoption récente de la nouvelle réglementation européenne sur le recyclage des batteries et l'urgence de développement de nouveaux procédés plus sécuritaires et plus respectueux de l'environnement, il est aujourd'hui nécessaire de développer un nouveau procédé de désactivation des batteries lithium ion domestiques.
Le procédé à développer devra être versatile(adresser les différents types de chimies de batteries), être continu, sécuritaire, contrôlable et économique.
Pour développer ce nouveau concept, une première étape visera à la définition de systèmes chimiques adaptés en utilisant un dispositif laboratoire. Les mécanismes électrochimiques et physico chimiques mis en jeu seront ensuite caractérisés et validés. Enfin quelques tests de validation de la technologie seront réalisés en environnement représentatif sur la plateforme de tests abusifs du CEA.