Étude et optimisation d’accumulateurs lithium-soufre basées sur un mécanisme de conversion quasi-solide du soufre
Les batteries lithium-soufre sont considérées comme l’une des solutions les plus prometteuses pour la prochaine génération de stockage d’énergie. Elles offrent une densité énergétique supérieure à celle des batteries actuelles, tout en utilisant du soufre, un matériau abondant et peu coûteux. Cependant, plusieurs verrous scientifiques et technologiques freinent encore leur déploiement à grande échelle.
Un problème majeur réside dans la formation de polysulfures de lithium solubles lors du fonctionnement de l’accumulateur. Ceux-ci peuvent migrer à l’intérieur de la cellule et entraîner une perte rapide de capacité. Des recherches récentes suggèrent qu’un autre chemin réactionnel, appelé « mécanisme quasi-solide », pourrait limiter cette dissolution et améliorer significativement la stabilité des batteries.
Cette thèse de doctorat vise à concevoir et étudier des cellules lithium-soufre de type « pouch » fonctionnant selon ce mécanisme quasi-solide. Le travail combinera le développement d’électrodes de soufre, des tests électrochimiques et des techniques avancées de caractérisation afin de mieux comprendre les processus gouvernant les performances et la durabilité des batteries.
Le projet s’articulera autour de deux axes de recherche complémentaires :
1. Travail d’optimisation d’électrodes positives
La première partie du travail consistera à développer des cathodes à base de soufre optimisées. Cela inclut l’exploration de différents matériaux hôtes conducteurs et l’ajustement de leur structure ainsi que de leurs propriétés de surface afin de mieux confiner le soufre et de limiter les réactions indésirables.
2. Développement d’électrolytes adaptés
La seconde partie du projet portera sur la formulation d’électrolytes capables de réduire la solubilité des polysulfures tout en maintenant de bonnes performances électrochimiques. Les solutions actuelles reposent souvent sur des solvants fluorés denses, qui augmentent les coûts et l’impact environnemental. Ce projet explorera des systèmes de solvants alternatifs et étudiera l’influence de la composition et de la concentration en sels de lithium sur le comportement des cellules.
Afin d’approfondir la compréhension du mécanisme réactionnel quasi-solide, le projet inclura également des techniques de caractérisation operando ou in situ, telles que la spectroscopie Raman, la diffraction des rayons X, et la tomographie X à haute résolution.
Étude de la Métastabilité des Cellules Photovoltaïques à Hétérojonction de Silicium et Stratégies de Stabilisation
Les cellules photovoltaïques à base de silicium, notamment les cellules à hétérojonction de silicium (SHJ) utilisant du silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H), atteignent des rendements supérieurs à 25%. Cependant, ces architectures présentent une métastabilité intrinsèque, comme la dégradation Staebler-Wronski, qui peut entraîner une perte de rendement durant le stockage entre fabrication et assemblage en module. Dans un contexte de chaînes logistiques mondialisées, ces instabilités représentent un risque économique et technique mal quantifié. Cette thèse vise à répondre aux questions suivantes : quel est l'impact quantitatif de l'instabilité sur le rendement des cellules à haut rendement lors d'un stockage prolongé ? Quels sont les mécanismes physiques responsables de cette dégradation ? Quelles stratégies technologiques permettent de réduire ou éliminer cette instabilité ? Quelles sont les implications industrielles pour la logistique de mise en module ? Pour ce faire, un protocole expérimental rigoureux sera mis en place pour suivre les performances électriques des cellules sur plusieurs mois, en variant les conditions de stockage (atmosphère, température, humidité). Des structures-test et des caractérisations avancées (FTIR, Raman, Silvaco TCAD) seront utilisées pour comprendre les phénomènes physiques impliqués. L'optimisation des procédés, l'introduction de nouveaux matériaux, et un conditionnement amélioré seront explorés pour stabiliser les cellules. Des recommandations pratiques pour l'industrie, concernant les durées maximales de stockage et les conditions de stockage optimales, seront également établies. L'objectif est de développer des solutions technologiques et logistiques pour minimiser les pertes de rendement des cellules SHJ, optimiser les chaînes logistiques et réduire les risques économiques associés.
Développement d’algorithme de Machine Learning pour l’optimisation du contrôle de machines à absorption
Le Laboratoire des Technologies Thermiques et Solaires (L2TS) et le Laboratoires des Systèmes Energétiques pour les Territoires (LSET) situés sur le site du CEA LITEN du Bourget-de-Lac proposent un sujet de thèse transverse portant à la fois sur de la thermodynamique et de l’optimisation par Intelligence Artificielle.
Précisément, ce projet de recherche doctorale consiste à développer un algorithme de Machine Learning pour optimiser le contrôle des machines à absorption. Ces machines sont des cycles thermodynamiques permettant de produire du froid ou du chaud à partir d’un apport de chaleur intermédiaires, et pouvant ainsi valoriser la chaleur fatale industrielle ou les énergies renouvelables tel que le solaire thermique. Les échanges de chaleur sont possible grâce aux réactions d’absorption et de désorption d’un réfrigérant sous forme gazeux dans un fluide. Spécifiquement, le mélange NH3-H2O sera utilisé. Le fonctionnement dynamique de ces cycles est extrêmement complexe car les variables opérationnelles, les paramètres physiques et les aspects hydrodynamiques sont fortement intriquées. Ainsi l’utilisation d’un réseau de neurones est particulièrement pertinente pour établir une stratégie de contrôle adaptative de ces machines.
La thèse aura un aspect théorique, avec l’étude et le choix de l’algorithme le plus adapté pour répondre à la problématique, et un aspect expérimental de validation sur un prototype de machine à absorption. Le projet impliquera également la conception d’un contrôleur pour l’implémentation.
Développement accéléré de la technologie Zn-MnO2 pour le stockage longue durée par hybridation simulation-données
Le déploiement massif des énergies renouvelables impulse une demande croissante pour le stockage stationnaire, dont les spécificités (coût, sécurité, durabilité) diffèrent radicalement de la mobilité électrique. Face aux limites des batteries Li-ion (risques d'incendie, criticité du lithium et du cobalt, coûts de production), la technologie aqueuse Zinc-Manganèse (Zn-MnO2) s'impose comme une alternative de rupture. Basée sur des matériaux abondants, non toxiques et intrinsèquement sûrs, elle offre un potentiel unique pour le stockage de longue durée à faible impact environnemental.
Cependant, l'industrialisation de cette filière se heurte à des verrous scientifiques limitant la réversibilité et la durée de vie en cyclage, notamment la formation de dendrites de zinc et l'instabilité de la cathode. Ce projet de thèse propose de surmonter ces obstacles par une stratégie de recherche hybride couplant modélisation multiphysique et intelligence artificielle.
Dans un premier temps, un modèle en éléments finis sera développé et validé expérimentalement pour caractériser les mécanismes de dégradation (points chauds de densité de courant, gradients de concentration). Dans un second temps, ce modèle servira de générateur de données pour entraîner des algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). Ces modèles de substitution permettront d'explorer rapidement un vaste espace de conception pour identifier les architectures les plus résilientes. L'objectif final est d'accélérer l'éco-conception de batteries Zn-MnO2 performantes, répondant aux impératifs de souveraineté énergétique et d'économie circulaire.
Développement et caractérisation d’une métallisation à faible teneur en argent pour cellules photovoltaïques à contacts passivés haut rendement
Dans le but de décarboner la production d’énergie et d’atteindre les objectifs du plan climat, la production de modules photovoltaïques (PV) doit augmenter de manière significative. Pour pouvoir soutenir ces niveaux de production, la teneur en argent dans les cellules de dernière génération doit être fortement réduite. Certaines alternatives incorporent dans les pâtes de sérigraphie des métaux moins couteux (nickel, l’aluminium, cuivre). Ces approches nécessitent d’être évaluées en termes de prise de contact, de transport des électrons et de fiabilité. Dans une architecture de cellule TOPCon, il convient d’amener l’électrode au contact direct des couches actives de la cellule par un recuit thermique. Cette étape favorise les performances du dispositif (par un phénomène d’hydrogénation) tout en générant de potentielles dégradations liées à l’introduction d’espèces métalliques. Ceci est d’autant plus vrai dans le cadre de nouveaux métaux (Ni, Cu…) de diffusivités supérieures à celle de l’Ag. Les objectifs de cette thèse sont multiples. Evaluer les performances de ces pâtes alternatives à faible teneur en argent une fois celles-ci intégrées sur cellules TOPCon. Caractériser l’impact de l’introduction de ces espèces métalliques sur la durée de vie des porteurs photogénérés dans le silicium. Evaluer la stabilité dans le temps de ces métallisations et vérifier l’absence de phénomènes de dégradation cellule sous éclairement prolongé. Si nécessaire, développer une technique de métallisation alternative, plus adaptée à l’utilisation de ces pâtes. Au cours de sa thèse, la personne recrutée sera amenée à élaborer, métalliser par sérigraphie, et caractériser des dispositifs dans un environnement salle blanche.
Restauration des défauts d’irradiation dans les cellules solaires photovoltaïques en silicium cristallin pour l’environnement spatial
Les cellules solaires photovoltaïques (PV) silicium suscitent un intérêt fort pour le spatial. Elles permettent de répondre aux nouvelles exigences de ce secteur d’activité (baisse des coûts, forte croissance). C’est d’autant plus vrai si le spatial peut s’appuyer sur les évolutions les plus récentes des technologies silicium « terrestre » et les lignes de production associées. Sur les satellites, les cellules sont exposées aux irradiations électrons/protons. Ces irradiations induisent des défauts dans le substrat qui affectent les performances PV. Cependant, certains défauts peuvent être annihilés lors de recuits sous éclairement représentatifs des conditions d’utilisation de la cellule en orbite.
Les principaux objectifs de la thèse sont i) identification des mécanismes de dégradation sous irradiation électron/proton des propriétés optoélectroniques des cellules silicium à contacts passivés ii) développement d’une compréhension complète sur les effets d’annihilation des défauts lors de recuits au travers d’études expérimentales et de modélisations-simulations iii) définition et développement de procédés pour accélérer les mécanismes d’annihilation des défauts.
Pour atteindre ces objectifs, le travail de thèse s’appuiera sur les étapes suivantes : étude bibliographique, fabrication de cellules solaires, vieillissements accélérés sous irradiations protons et électrons, caractérisations avancées et modélisations. Les travaux auront essentiellement lieu au CEA/Liten, sur le Campus INES (Le Bourget du Lac, FR) en forte interaction avec le CNES (Toulouse, FR).
Amélioration du rendement faradique des cellules d’électrolyse céramiques protoniques (PCCEL) par l’ingénierie de l’électrolyte et de l’interface électrode–électrolyte
Les cellules d’électrolyse céramiques protoniques (PCCEL), une variante avancée des cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC), permettent la production directe d’hydrogène par électrolyse de la vapeur d’eau, en utilisant des électrolytes conducteurs protoniques. Contrairement aux SOEC classiques, qui reposent sur des électrolytes conducteurs d’ions oxygène (O²?), les PCCELs fonctionnent à plus basse température (~400–600?°C contre 750–850?°C pour les SOEC), grâce à une meilleure conductivité protonique. Cette réduction de température permet de limiter la dégradation des matériaux et de diminuer les coûts système. Tandis que la technologie SOEC atteint aujourd’hui un niveau de maturité industrielle, avec des projets à grande échelle en cours de déploiement, le développement des PCCELs reste limité par plusieurs verrous scientifiques. Parmi ceux-ci figurent : la difficulté à densifier les électrolytes (type BaCeO3–BaZrO3) sans volatilisation du baryum lors du frittage à haute température ; le rôle bloquant des joints de grains dans le transport protonique ; et la maîtrise encore imparfaite des interfaces électrode–électrolyte. Cette thèse vise à améliorer le rendement faradique des PCCELs en optimisant la microstructure des électrolytes et la qualité des interfaces via des traitements de surface ciblés. La méthodologie inclut la fabrication de cellules, l’ingénierie des interfaces, et l’évaluation électrochimique. L’objectif final est de proposer des protocoles robustes et reproductibles permettant d’atteindre un rendement faradique supérieur à 95?%, compatibles avec une mise à l’échelle industrielle.
Atteindre des performances magnétiques élevées dans les aimants 1-12 pauvres en Terres Rares par la maitrise de la composition et de la microstructure
Les aimants permanents à base de terres rares (TR), notamment les aimants néodyme-fer-bore (Nd-Fe-B), sont essentiels pour le développement de moteurs et de générateurs efficaces, tels que ceux utilisés dans les véhicules électriques et les éoliennes. Cependant, les TR, en particulier le néodyme (Nd), sont des matériaux critiques avec un risque élevé d'approvisionnement dans les années à venir. La demande croissante en aimants de haute performance nécessite le développement de nouveaux types d'aimants sobres en TR. Les composés riches en fer, de type Sm-Fe12 (phase 1-12), présentent des propriétés magnétiques intrinsèques très prometteuses et sont considérés comme la meilleure alternative aux aimants Nd-Fe-B, permettant une réduction de l'utilisation des TR d'environ 35 % en poids. Néanmoins, l'atteinte des performances magnétiques requises (rémanence > 1 T et coercitivité > 800 kA/m) repose sur l’obtention d'une microstructure adaptée, ce qui constitue le principal défi dans le développement des aimants Sm-Fe12. L'objectif de cette thèse est d'améliorer les performances magnétiques de cette nouvelle famille d'aimants en maîtrisant la composition et la répartition des phases aux joints de grains. Le travail de doctorat combinera une approche expérimentale approfondie, incluant l'élaboration d'alliages de type Sm-Fe12, la caractérisation des phases à l'équilibre, la fabrication d'aimants et les caractérisations magnétiques, avec une analyse détaillée des diagrammes de phases. Cette démarche vise à définir les compositions et les conditions de fabrication optimales pour atteindre les performances magnétiques ciblées.
Synergie potentielle entre le NH3 et le NaBH4 pour une meilleure densité en H2 et une sécurité accrue
La thèse porte sur l’étude du système hybride ammoniac-borohydrure de sodium NH3–NaBH4 comme vecteur énergétique chimique innovant. Elle vise à étudier l’association entre l’ammoniac NH3, reconnu pour sa forte densité en H2 et ses filières industrielles matures, et le borohydrure de sodium NaBH4, matériau de stockage chimique de l’H2 à haute capacité, afin de lever certaines limitations propres à chacun de ces vecteurs pris séparément.
Le travail proposé s’intéresse en particulier au stockage et au transport plus sûrs de l’ammoniac par son couplage avec le borohydrure de sodium, permettant un abaissement de la pression de vapeur (vs. 8,88 bar à 21 °C pour l’ammoniac liquide) et des conditions de mise en œuvre moins contraignantes. En parallèle, la thèse vise à améliorer la stabilité (en comparaison au système H2O–NaBH4) et l’opérabilité du borohydrure de sodium qui, par combinaison avec des molécules d’ammoniac (inertes), forme des phases liquides ou visqueuses stables, potentiellement pompables, favorisant son intégration dans des procédés énergétiques.
L’objet fondamental de la thèse est de comprendre les mécanismes physico-chimiques gouvernant ce système hybride, notamment le rôle des interactions dihydrogène entre les liaisons N–H de l’ammoniac et B–H du borohydrure, et leur influence sur la stabilité, la réactivité, les propriétés de transport et les voies (thermiques et/ou hydrolytiques) de mise à disposition de l’H2.
Au-delà de la fonction de stockage, la thèse explore également le potentiel du système NH3–NaBH4 comme nouveau matériau hybride à forte capacité massique et volumique en H2, en lien avec des contraintes réalistes d’usage énergétique dans le cadre d’applications duales, sans viser à ce stade une optimisation exhaustive.
Pilotage intelligent et optimisation des Microgrids DC par Jumeau Numérique en Simulation Temps Réel
Cette thèse s’inscrit dans le défi de la décarbonation des systèmes industriels et territoriaux en proposant une transition vers des micro-réseaux en courant continu (DC), pilotés par un Jumeau Numérique. Face à la saturation des réseaux alternatifs due à l’essor du photovoltaïque, du stockage et de la mobilité électrique, le DC permet de réduire les pertes de conversion (5 à 15 %), d’améliorer la flexibilité et de simplifier l’architecture électrique.
Le projet repose sur le développement d’un Jumeau Numérique haute fidélité synchronisé en simulation temps réel. Plus qu’un outil de suivi, il agit comme un système décisionnel proactif intégrant des algorithmes d’optimisation avancés, tels que l’intelligence artificielle et la commande prédictive. Il anticipe les instabilités de tension, particulièrement critiques dans les réseaux DC à faible inertie, et optimise en continu les flux de puissance afin de maximiser l’autoconsommation tout en préservant la durée de vie des batteries.
La validation expérimentale s’appuie sur une approche Hardware-in-the-Loop au sein de l’écosystème CEA-Liten/G2Elab, intégrant des convertisseurs physiques. Cette méthodologie garantit la robustesse, la sécurité et la résilience avant tout déploiement réel.
Les retombées attendues sont scientifiques (stabilité et modélisation temps réel), opérationnelles (Fourniture de guides techniques et d'outils de décision ) et stratégiques (Renforcement de la souveraineté technologique française sur les Smart Grids et accélération de la trajectoire de neutralité carbone 2050 prônée par l'ADEME).