Thèse Modification des Interfaces Electrolde - Électrolyte dans des Électrodes de Batteries pour en Améliorer les Performances H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CIRIMAT - Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des Matériaux Direction de la thèse : Patrice SIMON ORCID 0000000204618268 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-10-09T23:59:59 Le contenu principal de ce projet s'articule autour des points clés suivants :

a) Étudier les interactions intrinsèques entre des systèmes modèles électrode-électrolyte, tels que les matériaux 2D (graphène, rGO, MXène) et les carbones poreux 3D.

b) Comprendre comment les propriétés du carbone (par exemple, la taille des pores, le degré d'ordre ou de désordre) et celles de l'électrolyte (par exemple, la polarité) influencent les interactions à l'interface électrochimique solide-liquide. Identifier le mécanisme fondamental de stockage de charge gouverné par ces « interactions », afin de concevoir des systèmes de stockage électrochimique de l'énergie plus performants.

c) Appliquer dans un premier temps ces concepts aux batteries aqueuses à ions Zn, utilisant une électrode positive en carbone. Dans un second temps, élargir l'étude à d'autres systèmes, en remplaçant l'anode négative en Zn par des électrodes négatives Li-ion et Na-ion pour des batteries non aqueuses.

Ce projet combinera une évaluation électrochimique avec des caractérisations structurales et interfaciales afin d'étudier comment les propriétés du solvant et la structure des électrodes déterminent conjointement le comportement électrochimique des électrodes poreuses.

Les interactions intrinsèques entre les ions et les électrodes seront étudiées par des mesures de potentiel zêta, tandis que les interactions entre le solvant de l'électrolyte et l'électrode seront identifiées par spectroscopie ATR ou UV-Vis.

Les mesures électrochimiques seront dans un premier temps réalisées en faisant varier systématiquement la composition du solvant et la configuration des électrodes. La voltammétrie cyclique, les essais galvanostatiques de charge-décharge et la spectroscopie d'impédance électrochimique seront utilisés pour évaluer la stabilité électrochimique, les phénomènes de polarisation et les capacités de fonctionnement à haut régime. Une attention particulière sera portée à la comparaison d'électrodes présentant différentes distributions de tailles de pores et différentes épaisseurs, afin d'identifier comment apparaissent les limitations de transport et les instabilités interfaciales lorsque l'architecture des électrodes devient plus complexe.

Afin de comprendre les mécanismes interfacials sous-jacents, des caractérisations structurales et interfaciales seront réalisées pour étudier l'adsorption du solvant, les effets de nanoconfinement et l'évolution de la structure interfaciale au cours du fonctionnement électrochimique. Des techniques telles que la microscopie électronique, la spectroscopie de surface et l'analyse de la structure poreuse seront utilisées afin d'étudier la morphologie des électrodes, leur chimie de surface et l'organisation du solvant à proximité de la surface de l'électrode sous polarisation électrochimique.

Par ailleurs, le transport ionique au sein des électrodes poreuses sera analysé afin d'évaluer l'influence du confinement et de l'architecture de l'électrode sur la mobilité ionique. En comparant le comportement du transport dans des électrodes épaisses aux propriétés des électrolytes massifs, l'étude permettra de quantifier la conductivité ionique effective au sein des réseaux poreux et d'évaluer les rôles de la tortuosité, de la connectivité des pores et de la solvatation sous nanoconfinement dans le transport ionique.

Lorsque cela sera nécessaire, une analyse théorique simplifiée ou une modélisation du transport sera utilisée pour interpréter les écarts observés entre le comportement de l'électrolyte en volume et le transport ionique dans des conditions de nanoconfinement.

Grâce à cette méthodologie intégrée, le projet vise à établir des corrélations entre les propriétés moléculaires du solvant, les paramètres structuraux des électrodes, les caractéristiques du transport ionique et les performances électrochimiques globales des systèmes de stockage d'énergie à base d'ions Zn. Travaux développés au CIRIMAT, qui pilote les deux grands projets structurant la communauté Française des batteries (PEPR Batteries et RS2E). Augmenter les performances des batteries synthèse de matériaux
caractérisdations structurales et texturales
caractérisations électrochimiques

matériaux - électrochimie - batteries