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.
Support logiciel pour l'utilisation d'accélérateur de calcul et de transfert mémoire
Pour des raisons d'énergie les futurs ordinateurs devront utiliser des accélérateurs pour le calcul comme pour les accès à la mémoire (GPU, TPU, NPU, DMA intelligents). Les application d'IA ont des besoins en calcul intensif à la fois en intensité de calcul et en débits mémoire.
Ces accélérateurs ne se basent pas sur un jeu d'instruction simple (ISA), ils s'affranchissent du modèle de Von Neuman et ils nécessitent d'écrire manuellement du code spécialisé.
Par ailleurs, il est difficile de comparer l'utilisation de ces accélérateurs avec un code utilisant un processeur non spécialisé, les codes sources initiaux étant très différents.
HybroLang est un langage de programmation proche matériel permettant d'exprimer des programmes utilisant toutes les capacités de calcul d'un processeur tout en permettant une spécialisation du code en fonction des données connues à l'exécution.
Le compilateur HybroGen a déjà démontré sa capacité de programmation d'accélérateurs de calcul en mémoire, comme en optimisation de code sur CPU classique en réalisant des optimisations innovantes.
Cette thèse se propose d'étendre le langage HybroLang afin de :
- faciliter la programmation d'application d'IA apportant le support pour des données complexes : stencils, convolution, calcul clairsemé
- permettre la génération de code à la fois sur CPU et avec des accélérateurs matériels en cours de développement au CEA (calcul clairsemé, calcul en mémoire, accès à la mémoire)
- permettre la comparaison d'architectures différentes en partant d'un seul code source d'application
Idéalement un candidat devra avoir des connaissances dans les domaines suivants : architecture des ordinateurs, implémentation de langage de programmation, compilation et optimisation de code.
Génération assistée par LLM de modèles matériels fonctionnels et formels
Les systèmes matériels modernes, comme les processeurs RISC-V ou les accélérateurs matériels, reposent sur des simulateurs fonctionnels et des modèles de vérification formelle pour garantir leur bon fonctionnement, leur fiabilité et leur sécurité. Aujourd’hui, ces modèles sont majoritairement développés manuellement à partir des spécifications, ce qui demande beaucoup de temps et devient de plus en plus complexe à mesure que les architectures évoluent.
Cette thèse propose d’explorer l’utilisation des grands modèles de langage (LLMs) pour automatiser la génération de modèles matériels fonctionnels et formels à partir de spécifications de conception. Le travail consistera à concevoir une méthodologie permettant de produire des modèles exécutables (par exemple des simulateurs) et des modèles formels cohérents, tout en augmentant la confiance dans leur correction. Pour cela, la thèse s’appuiera sur des boucles de retour issues des outils de simulation et de vérification formelle, combinées à des techniques d’apprentissage par renforcement.
Les résultats attendus sont une réduction significative de l’effort de modélisation manuelle, une meilleure cohérence entre les différents modèles, et une validation de l’approche sur des cas d’étude réalistes, notamment autour des architectures RISC-V et des accélérateurs matériels.
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.
Extraction de relations complexes et d'événements few-shot à partir de texte appliquée à la littérature scientifique
L'extraction d'information à partir de textes, qui se rattache plus généralement au traitement automatique des langues, a fait l'objet de travaux depuis de nombreuses années centrées sur la reconnaissance d'entités nommées, l'extraction de relations entre ces entités et pour sa partie la plus complexe, celle d'événements, qui prend la forme d'une tâche de remplissage de formulaires (templates) prédéfinis à partir de textes. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de concevoir, développer et évaluer des modèles d'extraction d'événements opérant sur des articles scientifiques, un événement pouvant correspondre dans ce contexte à un ensemble d'entités et de relations caractérisant par exemple une expérience ou une réaction chimique. De plus, ces modèles devront pouvoir être définis à partir d'un ensemble très restreint de données annotées afin de s'adapter rapidement à un nouveau domaine scientifique.
Sur le plan méthodologique, la thèse proposée cherche à dépasser la tendance que l'on pourrait qualifier de presque naturelle dans le contexte actuel à se tourner vers les grands modèles de langue génératifs (LLM) en défendant l'idée d'une synergie possible entre LLM et modèles plus petits de type encodeur dans un contexte few-shot, synergie dans laquelle les premiers permettent, grâce à la génération de données et d'annotations synthétiques, de construire les ressources permettant de mettre en œuvre les seconds par le biais de mécanismes de préentraînement. La thèse prendra place dans le contexte du projet AIKO de l’agence de programmes numérique, focalisé sur l'extraction de connaissances à partir de publications scientifiques.
Architecture d'un système de tomoscintigraphie préclinique
L’imagerie médicale est une source majeure d’innovations offrant un potentiel remarquable pour relever les nouveaux défis posés par la médecine de précision. En particulier les approches théranostiques, mêlant diagnostic et thérapie peuvent être personnalisées pour chaque patient.
Dans ce cadre, le CEA-Leti propose un sujet de thèse visant à développer un imageur tomoscintigraphique préclinique dédié, capable de fournir les performances requises pour le développement de nouveaux radiopharmaceutiques (spectrométrie, résolution spatiale et sensibilité élevée). Le laboratoire dispose en effet d’une expertise reconnue dans les détecteurs semi-conducteurs à base de CZT (Tellurure de Cadmium-Zinc) qui offrent une meilleure résolution spatiale et énergétique que les scintillateurs utilisés dans la plupart des systèmes actuels. Ces détecteurs ouvrent de nouvelles perspectives pour l’imagerie d’émission, telles que l'exploitation de l'imagerie Compton, l'imagerie multi-isotopique et le gain en contraste.
Le ou la candidate aura a prendre en charge :
1. L'étude de l'état de l'art en imagerie tomoscintigraphique préclinique pour participer à la spécification système et aider à définir une architecture de système.
2. La simulation de l'architecture par Monte-Carlo et l'optimisation des paramètres libres.
3. La conception et la fabrication d'un prototype avec l'aide de l'équipe d'ingénieurs.
4. Le test et la validation en imagerie, en utilisant les logiciels d'acquisition et reconstruction fournis par l'équipe.
Le doctorat se déroulera au sein d'un laboratoire d'instrumentation équipé en électroniques, détecteurs, mécaniques de motorisation, sources, logiciels d'acquisition, traitement et reconstruction. Le ou la doctorante collaborera avec le centre clinique et préclinique de l'hôpital d'Orsay pour conduire des tests d'imagerie sur fantômes et animaux.
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 soutenable de circuits et systèmes numériques : Prise en compte des limites planétaires
Les développements technologiques dans le secteur de l’électronique connaissent une croissance rapide, accompagnée d’un intérêt accru pour la prise en compte de leurs impacts environnementaux. Toutefois, les approches actuelles restent majoritairement centrées sur des réductions relatives des impacts (efficacité énergétique, optimisation des ressources), sans garantir une compatibilité réelle avec les limites planétaires. Dans ce contexte, la notion de soutenabilité absolue apparaît comme un cadre indispensable pour orienter les futurs développements des systèmes électroniques.
La thèse s’attaque à plusieurs défis scientifiques majeurs : comment identifier, pour le secteur électronique, des capacités de charge et des principes de partage, notions de base de la soutenabilité absolue, déclinables jusqu’aux niveaux des systèmes numériques et des circuits intégrés ? Comment intégrer concrètement les limites planétaires dans la conception de systèmes et circuits ?
L’objectif principal de cette thèse est de passer d’une logique de réduction relative des impacts environnementaux à une conception compatible avec les limites planétaires. Elle vise à définir des scénarios socio-techniques permettant d’identifier des principes de partage, à réaliser la première analyse de cycle de vie absolue d’un système numérique, et à proposer la première conception d’un circuit fondée sur des limites absolues, ouvrant la voie à un développement réellement soutenable de l’électronique.
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.
DevOps piloté par les modèles pour l'orchestration cloud : Relier les garanties de conception et d'exécution
L'ingénierie dirigée par les modèles (MDE) repose traditionnellement sur une séparation nette entre conception et exécution, mais cette frontière ne tient plus dans les environnements cloud natifs et edge actuels, où les infrastructures sont hétérogènes, dynamiques et en constante évolution. Les hypothèses validées à la conception peuvent devenir invalides à l'exécution, et les plateformes d'orchestration modernes comme Kubernetes ou OpenStack, bien qu'efficaces, restent faiblement connectées aux environnements de modélisation architecturale. Il en résulte un écart structurel entre la spécification architecturale et le comportement opérationnel réel. Pour combler ce fossé, cette thèse propose de développer un cadre formel de modélisation des contraintes de placement sur des plateformes d'orchestration hétérogènes, en assurant une continuité entre la validation à la conception et les garanties à l'exécution. Ce cadre élèverait les contraintes de placement — localité des ressources, affinité, latence réseau, isolation sécurité, objectifs de qualité de service — au rang de construits de modélisation de premier ordre. À la conception, il permettrait une analyse statique de faisabilité et la génération automatisée d'artefacts de déploiement ; à l'exécution, il assurerait une surveillance continue de la conformité et une reconfiguration adaptative en cas de violation. Les contributions attendues incluent un langage formel de modélisation, des transformations bidirectionnelles entre modèles de conception et représentations d'exécution, ainsi qu'une intégration avec l'outillage Papyrus. L'objectif final est de garantir que l'intention architecturale reste cohérente et vérifiable tout au long du cycle de vie du système, de sa conception jusqu'à son exploitation en production.