Thèse Verres de Phosphates Comme Électrolytes Solides Vers une Batterie à Faible Risque d'Emballement Thermique H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Polytechnique Hauts de France École doctorale : Ecole Doctorale Polytechnique Hauts-de-France Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Automatique, de Mécanique et d'informatique Industrielles et Humaines Direction de la thèse : Souad HARMAND Début de la thèse : 2026-12-01 Date limite de candidature : 2026-11-30T23:59:59 Le marché du stockage de l'énergie est en forte croissance pour les applications nomades et stationnaires. Pour répondre aux besoins des véhicules électriques, des énergies renouvelables ou de l'électronique, il faut des batteries plus performantes, compactes et sûres. Les électrolytes liquides utilisés traditionnellement posent toutefois des risques d'incendie, d'explosion et des contraintes d'intégration. Les électrolytes solides constituent une alternative prometteuse. Les cristallins offrent une bonne conductivité ionique mais favorisent la formation de dendrites à l'interface avec les électrodes, diminuant la capacité. Les électrolytes vitreux, grâce à leur structure amorphe, limitent cette croissance, améliorent le contact électrolyte/électrode et sont plus faciles à mettre en forme, mais leur conductivité ionique reste à optimiser.
Ce projet vise à développer des électrolytes solides à base de verres phosphates pour remplacer les électrolytes liquides. Des verres de compositions (55-x)PO-45MO-xAlO (M = Li, Na...) seront synthétisés par fusion-trempe et sol-gel, avec optimisation des compositions pour maximiser la conductivité tout en assurant une bonne stabilité thermique et chimique. La première étape portera sur la caractérisation structurale (XRD, Raman, FTIR, RMN) afin de relier organisation du réseau vitreux et mobilité ionique. La conductivité sera mesurée par spectroscopie d'impédance.
La seconde partie évaluera l'intégration de ces verres comme électrolytes solides, notamment leur comportement thermique et les mécanismes d'emballement. Enfin, un prototype de batterie sera développé et testé en cyclage charge/décharge, en lien avec les exigences de la mobilité électrique.
Avec l'essor des technologies mobiles, des véhicules électriques et du stockage d'énergie à grande échelle, les batteries rechargeables sont devenues indispensables. Les batteries lithium-ion actuelles utilisent des électrolytes liquides organiques, qui présentent des risques importants liés à leur inflammabilité, notamment en cas de surcharge, court-circuit ou choc thermique. Ces conditions peuvent provoquer un emballement thermique, conduisant à des incendies ou explosions.
Pour répondre à cette problématique de sécurité, la recherche s'oriente vers des électrolytes solides, plus stables thermiquement et chimiquement. Parmi les candidats prometteurs, les verres de phosphates attirent l'attention grâce à leur bonne conductivité ionique, leur stabilité chimique, leur faible coût et leur facilité de mise en forme. Ces matériaux vitreux, dopés avec des ions lithium ou sodium, pourraient remplacer les électrolytes liquides dans les batteries tout-solide, réduisant ainsi significativement les risques d'accidents thermiques.
Le projet vise donc à étudier les propriétés des verres de phosphate en tant qu'électrolytes solides, notamment leur structure, leur conductivité ionique et leur comportement en température. L'objectif est de contribuer au développement de batteries solides plus sûres, performantes et adaptées aux besoins futurs de stockage d'énergie.
1- Optimisation de la composition et de la structure des verres phosphatés
Déterminer les formulations vitreuses à base de phosphates offrant un compromis optimal entre conductivité ionique, stabilité mécanique et résistance à la dégradation chimique. Une attention particulière sera portée à l'effet des modificateurs du réseau (Li, Na, Al³, etc.) sur l'organisation structurale et la mobilité ionique.
2- Évaluation du comportement électrochimique des verres en tant qu'électrolytes solides
Étudier leurs propriétés de transport ionique, leur stabilité électrochimique dans la fenêtre de fonctionnement des batteries tout-solide, ainsi que leur compatibilité avec différents matériaux d'électrodes. Cela inclut l'analyse des phénomènes d'interfacialité et le risque de croissance de dendrites métalliques.
3- Analyse du potentiel des verres phosphatés pour l'amélioration de la sécurité des batteries
Examiner leur stabilité thermique, leur inertie chimique et leur résistance à l'emballement thermique, en comparaison avec les électrolytes liquides conventionnels et d'autres familles d'électrolytes solides (oxydes, sulfures).
4- Développement d'une architecture de cellule intégrant un électrolyte vitreux phosphaté
Élaborer et tester un prototype de batterie tout-solide utilisant un électrolyte en verre phosphate, afin d'évaluer ses performances globales (capacité, cyclabilité, résistance interne) et d'en valider la pertinence pour des applications nécessitant un haut niveau de sûreté.
Année 1 - Synthèse et caractérisation initiale :
- Tâches principales :
o Synthèse de différentes compositions de verres phosphatés via la méthode de fusion et la sol-gel.
o Caractérisation structurale et thermique (DRX, RMN, DSC, TGA).
o Étude des propriétés ioniques (conductivité, mobilité des ions Li).
- Livrables :
o Rapport sur la synthèse et la sélection des compositions prometteuses.
o Base de données des propriétés physiques et électrochimiques des verres testés.
Année 2 - Optimisation et intégration :
- Tâches principales :
o Optimisation de la composition et de la microstructure pour améliorer la conductivité et la stabilité thermique.
o Études d'interfaces électrolyte/électrode et compatibilité chimique avec des cathodes et anodes classiques.
o Modélisation de la diffusion ionique et simulations de performance en cellule.
- Livrables :
o Article ou rapport sur l'optimisation des verres phosphatés.
o Prototype de cellule test à électrolyte solide.
Année 3 - Validation et évaluation des performances :
- Tâches principales :
o Tests électrochimiques complets (cyclage, capacité, efficacité coulombienne).
o Évaluation du comportement thermique et de la sécurité (tests d'emballement thermique et d'auto-extinction).
o Analyse de la durabilité et des mécanismes de dégradation.
- Livrables :
o Rapport final détaillant les performances et la sécurité des électrolytes développés.
o Publication scientifique et recommandations pour des applications industrielles potentielles.