Thèse Étude Multi-Échelle du Comportement Mécanique de Batteries Tout Solide Mesures In Situ et Modélisation H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences Physiques et de l'Ingénieur
Laboratoire de recherche : I2M - Institut de Mécanique et d'Ingénierie de Bordeaux
Direction de la thèse : Olivier DEVOS ORCID 0000000233540420
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

L'électrification constitue un levier majeur pour la décarbonation des transports, notamment grâce aux batteries lithium-ion. Cependant, ces dernières présentent des risques de sécurité liés à leur électrolyte liquide inflammable, pouvant entraîner un emballement thermique. Les batteries tout solide apparaissent comme une alternative prometteuse, remplaçant cet électrolyte par un matériau solide, ce qui améliore la sûreté. Malgré leurs avantages, ces batteries rencontrent plusieurs défis : une conductivité ionique plus faible, des incompatibilités chimiques avec certaines électrodes, ainsi qu'une résistance élevée à l'interface solide-solide, qui se dégrade au cours du fonctionnement. De plus, leur fabrication nécessite une forte pression, compliquant leur industrialisation. L'objectif de la thèse est d'étudier le procédé de fabrication des électrolytes solides par pressage à froid, en analysant l'évolution de leur microstructure, de leurs propriétés mécaniques et de leur conductivité ionique lors de la densification. Une approche expérimentale in situ combinant tomographie, mesures mécaniques et électrochimiques sera développée afin de mieux comprendre ces phénomènes et de valider des modèles de comportement. Les résultats attendus incluent la conception d'un dispositif expérimental adapté, l'analyse des évolutions microstructurales - notamment de la porosité - sous différentes pressions, et l'application de cette méthodologie à divers matériaux d'électrolyte.

L'électrification est l'un des principaux leviers de la décarbonation des transports. Parmi les technologies utilisées aujourd'hui, les batteries lithium-ion (LiB) -- dont la cathode est constituée d'un alliage de lithium -- sont largement répandues. Leur fonctionnement repose sur l'usage d'un électrolyte liquide permettant le transport ionique entre les électrodes. En cas de défaillances, ces batteries peuvent être sujettes au phénomène d'emballement thermique dans lequel l'électrolyte liquide, inflammable, joue un rôle important. Ceci soulève des préoccupations quant à la sûreté en phase d'exploitation, notamment pour les batteries de grandes dimension utilisée dans les transports. Les batteries tout solide, une alternative prometteuse aux LiB, utilisent un électrolyte solide, supprimant de fait l'un des plus importants facteurs de risque d'emballement thermique. De nombreux travaux de recherche se sont attachés au développement de cette nouvelle technologie de batterie, aboutissant à des solutions fonctionnelles (e.g. des matériaux d'électrolyte, des couples électrode/électrolyte) à l'échelle d'une cellule élémentaire de batterie. Le développement des batteries tout solide soulève toutefois plusieurs défis technologiques. En effet, les électrolytes solides ont généralement une plus faible conductivité ionique que leurs homologues liquides et une mauvaise compatibilité chimique avec certains matériaux d'électrode, notamment le lithium métal. De plus, l'interface solide-solide entre l'électrolyte et l'électrode présente une résistance importante car, localement, les contacts sont ponctuels. Cette interface tend à se dégrader lors du cyclage de la batterie. Enfin, pour créer et maintenir le contact entre les électrodes et l'électrolyte, une forte pression de confinement est généralement appliquée sur la batterie ce qui entraîne des difficultés de mise en oeuvre de ces batteries à l'échelle industrielle

L'objectif de la thèse est de contribuer à la compréhension du procédé de fabrication des électrolytes solides par pressage à froid, en mettant l'accent sur l'évolution de la microstructure, de la conductivité ionique globale et des propriétés mécaniques de l'électrolyte lors de la densification. Le défi est de développer un protocole expérimental in situ sous tomographe permettant de suivre l'évolution de la microstructure lors du procédé de fabrication en la couplant avec celle des propriétés électrochimiques. De par la nature multiphysique du problème, plusieurs modalités de mesure seront combinées : i) forces et déplacements, ii) conductivités ioniques, iii) de l'imagerie en tomographie pour étudier l'évolution de la microstructure. Les résultats expérimentaux, couplant les physiques et les échelles, seront utilisés pour identifier et valider des modèles de comportement de l'électrolyte permettant de reproduire l'évolution de sa microstructure au cours de sa fabrication et de la relier aux propriétés mécaniques et électrochimiques macroscopiques. L'approche sera appliquée à plusieurs matériaux parmi les plus couramment utilisés comme électrolyte solide.

Outil de caractérisation microstructure (Tomographie, MEB, EDS...), Electrochimie, moyens d'essais mécaniques