Suivi operando de la dynamique des ions et de l'électrolyte dans les batteries (H/F)

Sujet de thèse :
Contexte : Pour maximiser les performances et la durée de vie des batteries, il est crucial de comprendre et de surveiller les mécanismes qui régissent leur fonctionnement tout au long de leur existence. En particulier, les phénomènes de transport des ions Li(Na) dans l'électrolyte provoquent des hétérogénéités dans les taux d'intercalation des électrodes, conduisant à des phénomènes de polarisation et à une diminution de la capacité. De plus, ils peuvent aussi causer l'électrodéposition de lithium métal sur la surface de l'électrode négative, entraînant alors des risques de courts-circuits. Par conséquent, les gradients de concentration en ions dans les électrodes et l’électrolyte (orientation à travers le plan) ont été largement étudiés en utilisant diverses techniques telles que la radiographie, la spectroscopie Raman, et la spectroscopie RMN. Cependant, ce n'est que récemment que des chercheurs ont commencé à étudier le mouvement de l'électrolyte et son impact sur la concentration en lithium dans la direction du plan. En particulier, Solchenbach et al., en employant des calculs de volume de pores et des mesures de moment d'inertie, ont pu observer le mouvement de l'électrolyte et les gradients de concentrations dans une batterie cylindrique commerciale [1]. Ce phénomène auparavant non identifié, appelé "electrolyte motion induced salt inhomogeneity" (EMSI), a pu être directement corrélé à la dégradation des batteries. Bien que cette étude ait permis de mettre en évidence ce nouveau phénomène de dégradation, elle est limitée par l'absence de données expérimentales en temps et condition réel (operando), nécessaires pour évaluer l’aspect dynamique du transport des ions. Dans ce contexte, le laboratoire CSE utilise depuis plusieurs années des capteurs à fibres optiques pour surveiller divers paramètres physiques et chimiques dans les batteries [2]. Par exemple, les capteurs à réseau de Bragg à fibre inclinée (TFBG), ont été utilisés pour surveiller la cinétique du transport de masse et la croissance des dendrites de lithium aux interfaces de l'anode en lithium [3]. Par ailleurs, la spectroscopie infrarouge déportée par onde évanescente (IR-FEWS) a été employée pour observer les gradients de concentration de lithium et les processus de désolvatation à travers différents modèles de cellules [4].

Objectif du doctorat : S'appuyant sur ces recherches préliminaires, l’objectif de la thèse est d'exploiter les capacités combinées de ces techniques spectroscopiques par fibre optique pour explorer la dynamique de l'électrolyte à travers et au sein de l'orientation du plan de la cellule. Grâce à l'application de ces techniques optiques, nous explorerons l'impact de divers paramètres susceptibles d'influencer le mouvement de l'électrolyte et des ions, ainsi que leur effet sur les performances des batteries. Ainsi, le régime de charge et de décharge de la cellule, le volume d'électrolyte et
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