Design, synthèse et caractérisations électrochimiques de matériaux organiques conjugués en tant que liants d'électrodes positives de batteries haute tension. // design, synthesis, and electrochemical characterization of high-potential conjugated organic m

Topic description

Au cours des dernières décennies, les batteries lithium‑ion (LIB) se sont imposées comme une technologie incontournable dans le domaine du stockage électrochimique de l'énergie. Cependant, le développement de dispositifs de haute densité d'énergie /puissance demeure un défi majeur, car de nombreux obstacles doivent être surmontés. L'optimisation de l'énergie repose notamment sur l'amélioration de la capacité spécifique des matériaux actifs et de la tension du dispositif. Si d'importants efforts de recherche ont été consacrés à la modification et à la conception structurelle des matériaux actifs d'électrode, les liants polymères utilisés dans la formulation des électrodes ont, en comparaison, fait l'objet de beaucoup moins d'attention. Pourtant, ces derniers jouent un rôle déterminant en assurant à la fois l'intégrité mécanique des électrodes et leur stabilité électrochimique au cours du cyclage. Les liants polymères commerciaux conventionnels n'assurent qu'une fonction mécanique ; en revanche, le développement de polymères multifonctionnels, capables de combiner conductivités électronique et ionique, ouvre des perspectives prometteuses pour améliorer les cinétiques de transport / transfert de charges, et ainsi accroître les performances en puissance des batteries.
L'objectif de cette thèse est d'exploiter pleinement le potentiel des polymères conjugués semi-conducteurs (PCS), largement étudiés dans le domaine de l'optoélectronique, en intégrant au sein d'un même matériau organique quatre propriétés complémentaires : l'adhérence au collecteur de courant, la conductivité électronique et ionique, ainsi que l'activité redox réversible liée à la présence de sites électroactifs. Cette approche vise à améliorer les résistances d'interface, la cinétique de transport des ions lithium au sein de l'électrode et le transfert électronique entre le matériau actif et le collecteur métallique. Par ailleurs, la possibilité de s'affranchir de liants fluorés conventionnels (PVDF) constitue un enjeu majeur en vue de développer des dispositifs plus respectueux de l'environnement et plus aisément recyclables. Ces batteries lithium-ion performantes et à faible impact environnemental ouvrent ainsi la voie à de nouvelles avancées dans le domaine des dispositifs de stockage d'énergie.
Dans ce contexte, le doctorant recruté sera chargé 1) de la conception et de la synthèse (couplages croisée type Suzuki-Heck-Stille, …) de nouveaux PCS intégrant des chaînes linéaires à base d'éthylène glycol ; 2) leur caractérisation électrochimique (CV, GCPL, EIS, etc.) en cellules Swagelok et piles bouton. En outre, les Polymères synthétisés pourront également être étudiés et valorisés dans le cadre de dispositifs optoélectroniques émergents du type transistors électrochimiques organiques (OECT) et générateurs thermoélectriques (OTE) dont les encadrants sont aussi spécialistes.
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Over the past decades, lithium-ion batteries (LIBs) have emerged as a key technology in the field of electrochemical energy storage. However, the development of devices with high energy /power density remains a major challenge, as there are many obstacles to overcome. Energy optimization relies in particular on improving the specific capacity of the active materials and the voltage of the device. While significant research efforts have been devoted to the modification and structural design of active electrode materials, the polymer binders used in electrode formulations have, by comparison, received much less attention. Nevertheless, these components play a crucial role by ensuring both the mechanical integrity of the electrodes and their electrochemical stability during cycling. Conventional commercial polymer binders serve only a mechanical function; in contrast, the development of multifunctional polymers combining both electronic and ionic conductivity offers promising opportunities to enhance charge transport/ transfer kinetics, thereby improving battery power performance.
The objective of this PhD project is to fully exploit the potential of conjugated polymers semiconductor (CPS), which have been extensively studied in the field of optoelectronics, by integrating four complementary properties within a single organic material: adhesion to the current collector, electronic and ionic conductivity, and reversible redox activity linked to the presence of electroactive sites. This approach aims to improve interfacial resistances, the transport kinetics of lithium ions within the electrode, and electron transfer between the active material and the metal current collector. Furthermore, the ability to eliminate conventional fluorinated binders (PVDF) is a major challenge in developing more environmentally friendly and easily recyclable devices. Such high-performance, low-environmental-impact lithium-ion batteries are expected to pave the way for further advances in energy storage technologies.
In this context, the recruited PhD student will be responsible for: 1) the design and synthesis (cross-coupling reactions such as Suzuki, Heck, Stille, etc.) of novel conjugated polymers incorporating linear ethylene glycol-based chains; 2) their electrochemical characterization (CV, GCPL, EIS, etc.) in Swagelok and coin cells. In addition, the synthesised polymers may also be studied and utilised in emerging optoelectronic devices such as organic electrochemical transistors (OECTs) and thermoelectric generators (OTEs), in which the supervisors are also experts.
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Début de la thèse : 01/10/

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Financement d'une collectivité locale ou territoriale