Thèse Modélisation du Couplage Électro-Chemo-Mécanique dans les Hydrogels Ioniques H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École nationale supérieure de techniques avancées École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : IMSIA - Institut des Sciences de la Mécanique et Applications Industrielles Direction de la thèse : Habibou MAITOURNAM ORCID 0000000207007702 Début de la thèse : 2027-10-01 Date limite de candidature : 2027-01-15T23:59:59 Les hydrogels sont des réseaux polymères tridimensionnels contenant de l'eau. En adoptant des polymères contenant des groupes anioniques et/ou cationiques ou de l'eau avec des ions libres dissous, il est possible de former des hydrogels ioniques. En raison de leur haute conductivité ionique, de leur biocompatibilité, de leur flexibilité mécanique et de leur configurabilité structurelle, les hydrogels ioniques sont devenus l'un des matériaux énergétiques les plus prometteurs pour les électrolytes des batteries écologiques de nouvelle génération. Actuellement, les études sur les batteries non toxiques à base d'hydrogel en sont encore à un stade naissant [1-2]. Quelques batteries à hydrogel dont les performances sont comparables à celles des batteries lithium-ion actuelles utilisant des électrolytes organiques toxiques sont proposées dans la littérature [3-5], mais des études systématiques sur leurs mécanismes de fonctionnement, en particulier le couplage électro-chimio-mécanique complexe, sont rarement rapportées.
Ce projet vise à étudier théoriquement le couplage électro-chemo-mécanique dans les hydrogels ioniques, et à révéler les effets des microstructures des hydrogels, de leurs propriétés physiques et mécaniques, ainsi que des conditions de charge sur les performances des batteries à base d'hydrogel. Des modèles multi-échelles seront développés, allant des simulations par DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité) et MD (dynamique moléculaire) explorant les interactions ion-polymère jusqu'aux analyses par éléments finis des performances globales de la batterie. Les modèles seront validés par les données expérimentales de la littérature. Ensuite, les modèles validés seront utilisés pour simuler les performances de divers systèmes potentiels de batteries à ions métalliques à base d'hydrogel (par exemple, Li, Na, Zn, Mg, Al). Outre les simulations, des batteries typiques à base d'hydrogel seront également fabriquées et testées. Les résultats expérimentaux seront comparés aux simulations afin d'acquérir une compréhension plus approfondie des mécanismes de fonctionnement des batteries. Enfin, sur la base des vastes résultats de simulation, une optimisation multi-échelle des batteries à base d'hydrogel ionique assistée par l'IA (intelligence artificielle) et le ML (apprentissage automatique) sera menée pour atteindre des performances optimales.
[1] T. Zheng et al., 'Hydrogel electrolytes in aqueous batteries: advances and mechanistic perspectives', Energy Environ. Sci. 19, 6939-6960 (2026).
[2] K.A. Uyanga et al., 'Advances and opportunities of hydrogels for metal-ion batteries', Energy Storage Mater. 72, 103707 (2024).
[3] P. He et al., ' High-voltage water-scarce hydrogel electrolytes enable mechanically safe stretchable Li-ion batteries', Sci. Adv. 11, eadu3711 (2025).
[4] Q. Liu et al., 'Anti-fatigue hydrogel electrolyte for all-flexible Zn-ion batteries', Adv. Mater. 35, 2300498 (2023).
[5] Y. Wang et al., ' Lean-water hydrogel electrolyte for zinc ion batteries', Nat. Commun. 14, 3890 (2023). Les hydrogels sont des réseaux polymères tridimensionnels contenant de l'eau. En adoptant des polymères contenant des groupes anioniques et/ou cationiques ou de l'eau avec des ions libres dissous, il est possible de former des hydrogels ioniques. En raison de leur haute conductivité ionique, de leur biocompatibilité, de leur flexibilité mécanique et de leur configurabilité structurelle, les hydrogels ioniques sont devenus l'un des matériaux énergétiques les plus prometteurs pour les électrolytes des batteries écologiques de nouvelle génération. Actuellement, les études sur les batteries non toxiques à base d'hydrogel en sont encore à un stade naissant. Quelques batteries à hydrogel dont les performances sont comparables à celles des batteries lithium-ion actuelles utilisant des électrolytes organiques toxiques sont proposées dans la littérature, mais des études systématiques sur leurs mécanismes de fonctionnement, en particulier le couplage électro-chimio-mécanique complexe, sont rarement rapportées. Développement de modèles électro-chemo-mécaniques pour les hydrogels ioniques pour mieux comprendre le comportement des batteries à hydrogels ionique.
Mise en oeuvre d'approches multi-échelles, des simulations par DFT (théorie de la fonctionnelle de la densité) et MD (dynamique moléculaire) sur des modèles de batteries.
Effets des microstructures des hydrogels sur leurs propriétés physiques et mécaniques
Couplage entre essais et modèles théoriques de comportement multiphysique
Simulations numériques (éléments finis, DFT, DM)