Développement d’une anode innovante à base de matériaux non critiques et durables pour l’électrolyse à membrane échangeuse d’anions
L’électrolyse de l’eau à membrane échangeuse d’anions (AEMWE) est une technologie récente et prometteuse pour produire de l’hydrogène vert, mais elle rencontre encore des défis majeurs en termes de performance et de durabilité. Actuellement, les anodes des électrolyseurs AEMWE sont constituées de deux couches : une couche poreuse (PTL), qui permet la circulation de l’électrolyte et des gaz, et une couche active, composée de catalyseurs et de liants, où se déroulent les réactions électrochimiques. Cette configuration limite la diffusion des réactifs et réduit la surface active disponible pour les réactions, ce qui impacte négativement les performances globales.
Ce projet de thèse propose de développer une anode innovante, basée sur des matériaux non critiques, en combinant les avantages des deux couches tout en minimisant leurs inconvénients. L’approche proposée consiste à fonctionnaliser la PTL, par l’ajout de nanoparticules catalytiques et/ou par une activation de surface, afin de lui conférer une activité électrochimique. Ces modifications permettront d’améliorer le transport des électrons et des réactifs, tout en augmentant la surface active pour la réaction d’évolution de l’oxygène (OER).
Le travail de cette thèse consistera à fonctionnaliser une PTL préalablement sélectionnée, puis à caractériser les anodes obtenues par des analyses structurales et électrochimiques approfondies. Les résultats attendus dans cette thèse est la réalisation d’une anode optimisée, offrant des performances accrues et une dégradation limitée, ainsi qu’une meilleure compréhension des phénomènes limitants dans les anodes AEMWE. Ce projet s’inscrit dans une démarche de développement de technologies durables, essentielles pour la transition énergétique.
Contribution à l'étude des convertisseurs partiels pour l'hybridation des sources d'énergie
L’un des axes de la réduction de l’empreinte carbone est le domaine du transport notamment le développement de la mobilité électrique actuellement en pleine croissance. Dans ce contexte, le marché du transport électrique hybride est grandissant. Les applications de l’hybridation ont vu leur puissance croitre et avec celle-ci celle des convertisseurs d’électronique de puissance permettant d’adapter les niveaux de tension des sources d’énergie et les échanges d’énergie entre elles. Cette augmentation de puissance s’accompagne de pertes plus élevées à évacuer, entrainant un impact significatif d’abord sur la taille des convertisseurs, donc du système global, puis sur l’efficacité énergétique de toute la chaine. Des efforts ont déjà été réalisés au CEA-LITEN sur le développement de convertisseurs DC-DC à haut rendement (notamment en utilisant les techniques d’entrelacement). La thèse aura pour objectif d’aller plus loin en étudiant les convertisseurs dits partiels ou PPC (Partial Power Converter). Les différentes architectures/topologies seront étudiées pour des applications hybride associant une pile à combustible et une batterie d’une part, et des applications associant 2 batteries (l’une typée puissance et l’autre typée énergie) d’autre part. Les travaux ont pour objectifs de déterminer la ou les meilleures architectures/topologies pour chacune des applications types permettant une réduction significative des tailles des convertisseurs et l’amélioration du rendement de toute la chaine.
Coordination de la flexibilité des convertisseurs d’électronique de puissance raccordés réseau de distribution en vue de participation à la stabilité du système électrique global.
Avec l’augmentation des productions et consommations connectées via des convertisseurs d’électronique de puissance, le réseau électrique évolue vers une structure plus dynamique et décentralisée. Cette transformation accroît le besoin et l’intérêt de leur participation active à la flexibilité et à la stabilité du système, notamment pour compenser les variations de production des énergies renouvelables et assurer un bon équilibre entre l’offre et la demande. La coordination optimisée du contrôle de ces dispositifs présente un fort potentiel pour améliorer la résilience du réseau, en exploitant intelligemment leurs capacités de régulation de tension, de fréquence et de puissance réactive. Toutefois, pour intégrer efficacement ces contributions à grande échelle, il est crucial de développer des approches de modélisation holistique permettant de capturer les interactions multi-échelles, tant spatiales que temporelles. Les travaux de modélisation dans cette thèse visent à représenter le lien entre la flexibilité de réponse en puissance active/réactive des convertisseurs d’électronique de puissance et la marge de stabilité apporté au réseau et aussi l’agrégation de leurs actions en vue d’une contribution au système intégré. Suite à cette étape, des architectures et des algorithmes de contrôle coordonnées entre le réseau de distribution et le réseau de transport seront étudiés, développés et validés.
Evaluation de l'impact du procédé d'extrusion en voie sèche sur la microstructure et les performances de cathodes pour batteries tout-solide à électrolytes polymères
Les batteries à électrolyte solide (solid-state batteries, SSB) ont pour objectif de dépasser la technologie lithium-ion actuelle en termes de densité d’énergie et de sécurité, avec des applications dans les véhicules électriques ou le stockage d’énergie stationnaire. La fabrication de ces nouvelles technologies de batteries peut soit s’appuyer sur les infrastructures existantes (mélange et enduction d’encres d’électrodes à base de solvant), soit nécessiter de nouveaux procédés de fabrication. Dans ce contexte, le procédé d’extrusion bi-vis présente plusieurs avantages lorsqu’il est appliqué aux SSB, en particulier avec des électrolytes à base de polymères.
Afin d’accélérer le déploiement des SSB à base de polymères, une meilleure compréhension du procédé d’extrusion appliqué à la fabrication des électrodes positives est nécessaire. L’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles formulations d’électrodes par extrusion en voie fondue et de comprendre l’impact des paramètres du procédé sur les performances finales. Elle permettra de fournir au final une vision claire des avantages et limitations de l’extrusion par rapport au procédé classique d’enduction.
Ce projet de doctorat s’inscrit dans une collaboration entre le CEA et Stellantis pour le développement de nouvelles batteries tout-solide. L’étude portera sur le développement d’électrodes composites élaborées par extrusion, destinées à être utilisées dans des SSB à base de polymères. Dans un premier temps, les matériaux seront sélectionnés et caractérisés afin d’effectuer une première sélection de formulations à l’aide d’une extrudeuse à l’échelle laboratoire. Ensuite, une évaluation systématique de l’impact des matériaux d’entrée et des conditions opératoires du procédé d’extrusion sera réalisée afin de mettre en évidence les relations entre le procédé, les microstructures des électrodes et leurs performances. Enfin, les formulations d’électrodes les plus performantes seront intégrées dans un prototype entièrement fabriqué par extrusion et caractérisées par des tests électriques et des analyses post-mortem.
Le doctorant bénéficiera de l’environnement multidisciplinaire du CEA-LITEN (campus de Grenoble) ainsi que du savoir-faire industriel de Stellantis. La Plateforme de Prototypage de Batteries sera utilisée pour les essais d’extrusion et l’assemblage des cellules, tandis que l’accès à des équipements de caractérisation avancée (MEB-EDX, XPS, rhéomètres, méthodes électrochimiques, etc.) permettra d’acquérir une compréhension approfondie des mécanismes mis en jeu dans le procédé d’extrusion.
Étude de l’intensification du transfert de chaleur par ébullition convective dans les micro canaux appliquée au refroidissement des unités de calcul dans les data centers
La thèse proposée vise à mieux comprendre et modéliser, pour de nouveaux fluides réfrigérants à faible impact environnemental, les phénomènes d’ébullition convective en micro canaux.
Le doctorant adoptera une approche combinant expérimentation et modélisation multi-échelle, incluant la conception d’un banc d’essai simulant le comportement d’un micro évaporateur, la réalisation de simulations CFD (ANSYS Fluent, CATHARE) pour décrire les régimes diphasiques, et l’évaluation de différents fluides alternatifs écologiques à faible impact environnemental. Les résultats attendus portent, pour chacun de ces nouveaux fluides, sur la caractérisation des mécanismes d’ébullition confinée, le développement d’un modèle prédictif du transfert de chaleur, et la proposition de solutions de refroidissement innovantes.
En effet, les besoins croissants en calcul intensif, portés par l’intelligence artificielle et le cloud, entraînent une augmentation significative de la puissance dissipée dans les processeurs des puces électroniques. Les technologies de refroidissement monophasique actuelles atteignent leurs limites face à des flux thermiques dépassant 100 W/cm². Le refroidissement diphasique, basé sur l’ébullition d’un fluide pour évacuer la chaleur, est capable d’assurer des transferts de chaleur beaucoup plus efficaces que le refroidissement monophasique, tout en réduisant la consommation énergétique globale. Les résultats de la thèse contribueront à atteindre des solutions plus performantes et durables pour les futurs data centers. Ce travail contribuera à réduire l’empreinte énergétique du numérique et à renforcer la souveraineté technologique européenne dans le domaine des technologies de refroidissement avancées.
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.
La thèse se déroulera dans un laboratoire CEA au Bourget du Lac.
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).