Thèse Intégration des Nanotubes de Carbone Alignés dans les Batteries sans Anode Mécanisme et Optimisation des Cellules H/F

Université Paris-Saclay GS Chimie

Établissement : Université Paris-Saclay GS Chimie
École doctorale : Sciences Chimiques : Molécules, Matériaux, Instrumentation et Biosystèmes
Laboratoire de recherche : NIMBE - Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Energie - DRF/IRAMIS
Direction de la thèse : Mathieu PINAULT ORCID 0000000300806963
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-03-31T23:59:59

Les batteries sans anode ou à anode libre suscitent un intérêt croissant en raison de leur excellente densité énergétique, de leur faible coût et de la facilité de mise à l'échelle de leur procédé de fabrication. L'exploration des batteries sans anode pourrait offrir une avancée majeure dans le domaine du stockage de l'énergie, en utilisant la réserve de lithium déjà présente dans la cathode NMC pour effectuer des cycles réversibles après
un processus de formation initial. Cette approche permettrait de réduire l'épaisseur globale, le nombre d'étapes de traitement et le coût des matériaux, tout en offrant une excellente densité énergétique. Les nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNTs) sur des substrats métalliques peuvent représenter un choix intéressant pour cette application en raison de leur faible épaisseur, de la reproductibilité de leur
processus de synthèse et de leurs propriétés de surface uniformes, qui ont déjà démontré leur intérêt applicatif dans le domaine des supercondensateurs. Dans ce projet de doctorat, nous explorerons une nouvelle voie d'application : les batteries sans anode, où les VACNT servent de substrat de dépôt pour le lithium ou le sodium. Nous étudierons l'électrochimie des VACNTs dans les batteries lithium sans anode (avec électrolytes liquides et solides) ainsi que dans les batteries sodium sans anode avec électrolyte liquide.
Le doctorant travaillera sur l'optimisation de la synthèse des VACNTs afin d'ajuster leur épaisseur et leur densité pour les adapter à leurs propriétés électrochimiques. Des études post-cyclage (Raman et MEB) seront menées afin d'analyser l'effet du cyclage et des électrolytes sur les couches de VACNTs. L'objectif du projet est d'explorer les opportunités d'application des VACNTs dans divers systèmes de stockage d'énergie, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives d'utilisation et de valorisation.

In principle, in a lithium-ion battery during charging, lithium ions move from the positive electrode to the negative electrode and intercalate/alloy depending on the anode properties. Hence, if the lithium ions can be plated successfully and uniformly in the anode substrate, we will not need an anode material, but only a substrate that can accommodate lithium ions. Realizing this anode-less configuration of batteries, either in liquid or solid-state, could revolutionize the transition to electrification of the transport sector by solving many challenges, including energy density, cost of fabrication, and result in safe and highly efficient energy storage devices. [1-2] In a recent CEA collaborative project, the research team, constituting CEA NIMBE (LEDNA, LEEL) and ICMMO, explored the VACNT grown on copper substrate with an Al-based barrier layer showing this lithium plating capability in solid-state batteries with sulfide electrolytes. During charge, Li-ions
extracted from the cathode will be electrodeposited at the VACNT-loaded Cu current collector (CC). A thin, aligned CNT layer on the Cu substrate allows uniform lithium deposition, and the CNT attachment to the CC without a binder improves electron transfer kinetics. The absence of a graphite layer at the anode side reduces the weight and the thickness of the cell, significantly increasing both gravimetric and volumetric energy density. Additionally, with the process technology at LEDNA[3], it is possible to create VACNT layers as small as 10 µm, which could increase the energy density of these battery systems. Moreover, the cost, energy usage, and technology required for anode production are saved, since tasks like preparing slurry, coating, and drying are avoided.

Here, we propose to expand the explorative results that we obtained during this emergence project to a PhD, where the student will work on tuning the thickness, morphology, and uniformity of the VACNT growth on aluminium and copper substrates by optimizing the Chemical Vapor Deposition (CVD) synthesis conditions at
LEDNA. The as-produced VACNTs will be applied to different battery chemistries to study their versatility irrespective of the cell chemistry. In particular, attention will be paid to the control of the homogeneity of the low thicknesses of VACNTs, the carbon density of the VACNTs as well as their morphology. The work will also focus in particular on the control of the characteristics of the barrier layer (nature, thickness) necessary to obtain the VACNTs on the copper CC.
We will continue to utilize the existing collaboration with LEEL and ICMMO for the successful tests in different battery chemistries. We, at LEDNA, successfully demonstrated a feasible process for the preparation of VACNTs with various thicknesses and applied them in solid-state batteries with NMC cathodes in collaboration with LEEL. In this project, we propose to explore the feasibility of an anode-less configuration in lithium and sodium batteries (both liquid and solid electrolytes) with high-capacity electrodes such as
LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC811) cathode and Na3V2(PO4)2F3 cathode in lithium and sodium batteries, respectively, with VACNT-loaded copper substrate as the seed anode layer. The objectives include the optimization of VACNT-loaded Cu substrate of different CNT
thickness (<50 µm), density and morphology and exploring their electrochemical performance at different experimental conditions in different cell chemistries.

The project is formulated in three different tasks. The student will (1) optimize the synthesis of VACNTs at LEDNA to obtain anode substrates, (2) explore their application in lithium batteries through their association with liquid and solid electrolytes, and (3) Optimization of VACNTs based on electrochemical property evaluation and explore the application in sodium batteries.