Elucidation de la Corrélation entre l'Activité Électrochimique de la Réduction de l'Oxygène et la Structure Moléculaire de l'Interface Platine/Ionomère dans les Piles à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons
Cette thèse se focalise sur la Pile à Combustible à Membrane Échangeuse de Protons (PEMFC), utilisée dans le secteur des transports pour générer de l'électricité et de la chaleur à partir d'hydrogène et d'oxygène. Bien que prometteuse pour la réduction des émissions de CO2 grâce à l'utilisation d'hydrogène vert, la PEMFC doit améliorer ses performances et sa durabilité afin de rivaliser avec les moteurs à combustion et les batteries. L'électrode joue un rôle crucial, mais la complexité moléculaire de l'interface électrochimique entre le catalyseur à base de platine et l'ionomère rend la caractérisation difficile. Actuellement, la compréhension qualitative de cette interface est limitée, entravant les progrès et la prédictibilité des modèles. La thèse vise à établir une corrélation entre la structure moléculaire de l'interface électrochimique et la cinétique électrochimique, en se concentrant sur l'oxydation du platine et l'adsorption d'ionomère. Un dispositif unique développé au CEA permet des caractérisations simultanées électrochimiques et spectroscopiques. La nouveauté réside dans l'utilisation de la microscopie à force atomique (AFM) couplée à la spectroscopie Raman et à la microspectroscopie infrarouge synchrotron comme techniques originales pour obtenir des informations cruciales pour l'application des PEMFC
Développement de nouveaux matériaux d’anode pour les batteries potassium-Ion
Les batteries Li-ions actuelles utilisées dans les applications hautes énergies sont principalement composées d’une anode en graphite et d’une cathode contenant un oxyde lamellaire lithié de formule LiNixMnyCozO2. Le développement et la généralisation de l’automobile électrique va engendrer une tension notable sur certains éléments chimiques déjà considérés comme critiques ou qui tendent à le devenir (lithium, nickel, cobalt et cuivre). De plus, le mode de production de ces matériaux s’avère être très énergivore (multiples calcinations) et met en œuvre des solvants/produits peu respectueux de l’environnement (NMP, ammoniaque). La thèse que nous proposons ici a pour but de développer une technologie de batterie basée sur le potassium, n’utilisant aucun élément critique et dont la production permettrait de réduire considérablement l’empreinte écologique.
La possibilité d’utiliser du graphite comme matériau d’anode a souvent été reportée dans la littérature comme un avantage de la technologie potassium ion vis-à-vis de la technologie sodium ion. Cependant, l’insertion du potassium en charge dans l’électrode négative engendre une expansion volumique du graphite de l’ordre de 60% et peut limiter la durée de vie de la batterie.
Le sujet de thèse proposé a pour but d’étudier et de solutionner ce problème selon deux axes de recherche : 1- meilleure compréhension du lien entre les spécificités des graphites et les performances électrochimiques associées afin de sélectionner le meilleure grade et 2- recherche de nouveaux matériaux d'anode permettant d'insérer réversiblement le potassium.
Modèle physique du vieillissement des batteries Li-ion
Depuis quelques années, les batteries Li-ions sont devenues la technologie de référence pour le marché mondial des batteries, et elles ont supplanté les anciennes technologies Nickel-Cadmium et Alcalines. Bien que légèrement inférieures aux énergies fossiles en terme de capacité énergétique massique, les batteries Li-ion possèdent un atout de poids pour le développement du véhicule électrique : leur exceptionnelle durée de vie. Il a été récemment démontré que certaines technologies de véhicules électriques peuvent franchir le seuil du million de km parcourus. Au delà des performances prometteuses obtenues sur des systèmes modèles, la question de la durée de vie des batteries est liée à des enjeux industriels, économiques et environnementaux cruciaux pour la transition écologique et la souveraineté énergétique de notre pays.
L'une des difficultés majeures pour le développement de ces batteries à très longue durée de vie est de savoir anticiper et contrôler les différents phénomènes de dégradation internes à la batterie, lors de son usage réel. Bien que la plupart des phénomènes de dégradation ont été identifiés en laboratoire sur les matériaux les plus courant, la question de leur cinétique dans une batterie complète en usage réel reste ouverte, de même que la prédiction de l'état de santé et de la fin de vie des batterie.
Les équipes du CEA s'appuient sur une expertise unique combinant données expérimentales et la modélisation afin de bâtir un modèle physico-chimique prédictif de la dégradation des batteries Li-ion. Dans le cadre de cette thèse, vous serez amené à concevoir et réaliser en laboratoire des expériences de caractérisation élémentaires sur les mécanismes de dégradation des batteries, en utilisant un large spectre de techniques expérimentales poussées (titration électrochimique, spectroscopie d'impédance, mesures de gaz operando, DRX, etc...) Votre travail vous amènera également à intégrer vos résultats dans les modèles de vieillissement et à étudier les prédictions et la validation de ces modèles.
Modélisation avancée des couches de diffusion des gaz (GDL) pour piles à combustibles PEMFC: imprégnation et séchage des encres, distributions 3D et propriétés effectives
Dans le cadre de solutions H2 pour la transition énergétique, la pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une solution pertinente pour la production d’énergie électrique à faible teneur en carbone. Le projet européen DECODE propose de développer une chaîne entièrement numérique d’outils de conception, en intégrant les propriétés des matières premières et la fabrication et l’assemblage des différents composants, pour prédire la performance de cette pile « virtuelle ». Cela aidera à réduire le coût et le temps de développement des matériaux / composants améliorés adaptés aux différentes applications à l’avenir.
Le composant considéré dans cette thèse est la couche de diffusion de gaz (GDL), qui est une combinaison d’un substrat microporeux fibreux et d’une couche micro/nano poreuse (MPL pour la couche microporeuse). Le travail sera divisé en différentes étapes : a) basé sur des images 3D (réelles ou virtuelles) du substrat fibreux, simulation du traitement hydrophobe et du dépôt du MPL ainsi que de leur séchage pour déterminer la distribution 3D des divers composants (fibres, hydrophobie et MPL); b) simulation des propriétés de transport mono et diphasique de la GDL comme données d'entrée des modèles de performance à plus grande échelle; c) analyse de sensibilité des principaux procédés de fabrication (propriétés de l’encre, paramètres de séchage… )