Thèse Operando Nmr Spectroscopy Of Batteries Improving Sensitivity And Selectivity H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : CSV- Chimie et Sciences du Vivant Laboratoire de recherche : Modélisation et Exploration des Matériaux Direction de la thèse : Gael DE PAEPE ORCID 0000000197013593 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-30T23:59:59 Les batteries Li-ion ont connu un succès considérable ces dernières années, mais la recherche de batteries présentant une densité d'énergie encore plus élevée, une durée de vie plus longue et des matériaux plus durables se poursuit. Ces avancées nécessitent une compréhension à l'échelle atomique des mécanismes de fonctionnement des batteries pendant les cycles de charge et de décharge, obtenue grâce à des mesures operando. La spectroscopie RMN s'est imposée comme une technique puissante pour ce type d'études, mais elle reste limitée par une faible sensibilité et un manque de sélectivité vis-à-vis des différentes parties de la cellule électrochimique.
L'objectif de ce projet de thèse est de faire progresser les mesures de RMN operando des batteries selon deux axes complémentaires : (1) augmenter la sensibilité expérimentale grâce à la mise en oeuvre de nouvelles géométries de cellules, et (2) cibler des parties spécifiques de la batterie à l'aide de séquences d'impulsions RMN avancées. Ces développements seront appliqués à des questions pertinentes concernant les batteries Li-ion et Na-ion, par exemple l'étude d'espèces diluées et de processus rapides.
Le travail de thèse portera principalement sur la mise en oeuvre, l'optimisation et l'analyse d'expériences de RMN operando sur des batteries Li-ion et Na-ion. En complément, le ou la doctorant·e réalisera l'assemblage des batteries et leur cyclage électrochimique, et contribuera au développement de nouveaux formats de cellules RMN operando.
Context: Li-ion batteries have seen tremendous success in recent years, yet the quest for batteries with even higher energy density, longer lifetime, and more sustainable materials continues. Achieving these advances requires atomic-level insights into the operation mechanisms of a battery during charge and discharge, obtained from in operando measurements. NMR spectroscopy has emerged as a powerful technique for such investigations, but it remains limited by low sensitivity and a lack of selectivity for different parts of the electrochemical cell. Goal: The goal of this PhD project is to advance operando NMR measurements of batteries in two complementary ways: (1) increasing the experimental sensitivity through the implementation of new cell designs, and (2) targeting selected parts of the battery using advanced NMR pulse sequences. These developments will be applied to pertinent questions in both Li-ion and Na-ion batteries, investigating for example dilute species or fast processes. The PhD will involve:
Solid-state NMR: The focus will lie on solid-state NMR, mostly performed on static samples and on working batteries (in operando). Complementary ex situ measurements under magic-angle spinning will be performed as well.
Cell design for operando NMR: Contributions to design and testing of new operando NMR cell formats.
Electrochemistry: Battery assembly and cycling, analysis of electrochemical cycling data.
Analysis of operando NMR data: Use of existing Python scripts for data visualization and interpretation. Further adaptation of these scripts to the respective datasets.