Topic description
L'amélioration des performances, de la fiabilité et de la durée de vie des batteries est essentielle pour répondre à la demande très forte et en constante croissance du stockage d'énergie. Pour cela, il est indispensable de comprendre quelles sont les réactions chimiques qui ont lieu en conditions opérationnelles d'utilisation des batteries, afin de minimiser les réactions ‘parasites' et de maximiser la durabilité des batteries. L'équipe de la Dr Gervillié-Mouravieff et du Prof Tarascon au Collège de France a récemment développé une méthodologie expérimentale innovante de spectroscopie vibrationnelle infrarouge (IR) par fibre qui permet d'identifier et de suivre les espèces chimiques dans le liquide électrolytique de batteries, dans les conditions opérationnelles.1-5
Dans les batteries aux électrolytes de sodium (Na+) et au lithium (Li+), ces électrolytes sont conduits entre les deux électrodes de la batterie à travers un liquide complexe au cours des cycles de charges et décharges de la batterie. Dans ce liquide, les cations électrolytes sont environnés (solvatés) par les molécules du liquide, formant des complexes moléculaires composés d'un ou plusieurs électrolytes (cations Na+ ou Li+ suivant le type de batterie et des contre-ions) et d'une première couche environnante de solvant (et de molécules additives). Il est indispensable de connaître précisément la composition et la structure 3D de ces complexes pour comprendre la performance de la batterie : en effet, ce sont ces complexes moléculaires qui pilotent le transport et la conductivité des cations électrolytes à travers le liquide au cours des cycles de charge et décharge, ce sont eux qui sont directement impliqués dans les processus de déshabillage des électrolytes lorsqu'ils approchent des électrodes pour y être réduits électrochimiquement, eux toujours qui pilotent les réactions chimiques qui conduisent à la dégradation et décomposition chimique au cours du temps des molécules du liquide au cours de l'utilisation de la batterie.
Pour suivre ces processus et connaître la composition chimique et la structure du liquide électrolytique en conditions d'utilisation des batteries, une méthode innovante de spectroscopie optique, in situ, a été développée au Collège de France.1-5 Les signatures vibrationnelles Infrarouge (IR) du liquide électrolytique peuvent ainsi être enregistrées, in situ, dans les conditions de charge et décharge d'utilisation des batteries, ce qui est révolutionnaire. Comme dans toute expérience de spectroscopie, la compréhension moléculaire des signaux IR nécessite toutefois un appui des calculs théoriques, ce qui est l'enjeu de cette thèse de doctorat. Les calculs théoriques de spectroscopie permettent en effet d'indentifier directement et précisément les signatures spécifiques (appelées ‘fingerprints' en anglais, comme l'ADN de nos génômes) des compositions chimiques, des structures 3D et des interactions entre les membres des complexes moléculaires.
C'est l'enjeu de la thèse de doctorat présentée ici.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Improving battery performance, reliability, and lifetime is essential to meet the very strong and continuously growing demand for energy storage. Achieving this goal requires a detailed understanding of the chemical reactions occurring under battery operating conditions, in order to minimize parasitic reactions and maximize battery durability. Recently, the team of Dr. Gervillié-Mouravieff and Prof. Tarascon at the Collège de France has developed an innovative experimental methodology based on fiber-optic infrared (IR) vibrational spectroscopy, which enables the identification and monitoring of chemical species in the liquid electrolyte of batteries under operando conditions.1-5
In sodium-ion (Na⁺) and lithium-ion (Li⁺) batteries, electrolytes are transported between the two electrodes through a complex liquid medium during battery charge and discharge cycles. In this liquid phase, electrolyte cations are surrounded (solvated) by solvent molecules, forming molecular complexes composed of one or more electrolyte species (Na⁺ or Li⁺ cations, depending on the battery type, together with counter-ions) and a first solvation shell of solvent molecules (and additives). A precise knowledge of the composition and three-dimensional structure of these complexes is essential for understanding battery performance. Indeed, these molecular complexes govern the transport and ionic conductivity of electrolyte cations through the liquid during charge–discharge cycling; they are directly involved in the desolvation/stripping-off processes that occur as the ions approach the electrodes for electrochemical reduction; and they also control the chemical reactions that lead to degradation and chemical decomposition of the liquid components over time during battery operation.
To monitor these processes and determine the chemical composition and structure of the electrolyte liquid under battery operating conditions, an innovative in situ optical spectroscopy method has been developed at the Collège de France.1-5 This approach enables the in situ acquisition of infrared (IR) vibrational signatures of the electrolyte liquid under realistic battery charge and discharge conditions, which represents a major methodological advance. As in any spectroscopic experiment, however, a molecular-level interpretation of the IR signals requires support from theoretical calculations, which constitutes the central objective of this doctoral thesis. Indeed, theoretical spectroscopy calculations allow for the direct and accurate identification of specific spectral signatures (commonly referred to as “fingerprints”) associated with chemical compositions, three-dimensional structures, and interactions of the partners within the molecular complexes.
This is the whole goal of the present PhD thesis.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Début de la thèse : 01/10/
Funding category
Funding further details
Contrats ED : Programme blanc GS-Chimie
En cliquant sur "JE DÉPOSE MON CV", vous acceptez nos CGU et déclarez avoir pris connaissance de la politique de protection des données du site jobijoba.com.