Suivi à l`échelle nanométrique de l`évolution chimique d

Suivi à l'échelle nanométrique de l'évolution chimique d'une électrode d'un
accumultateur Li-ion
Contact : Pascale BAYLE-GUILLEMAUD
0438783970
DSM/INAC/SP2M/LEMMA
[email protected]
Stage pouvant se poursuivre en thèse : Oui
Résumé :
Le lithium est un matériau de choix pour stocker l'énergie électrique des applications mobiles car il est à la fois le métal le plus léger et le plus
réducteur de la classification périodique. Le développement de nouveaux d'accumulateurs nécessite l'emploi de nouveaux matériaux d'électrode pour
augmenter les performances. Avec une capacité spécifique environ 10 fois supérieure à celle du carbone, le silicium est un nouveau matériau de
substitution pertinent. Toutefois, l'expansion volumique et l'instabilité de la couche d'interface avec l'électrolyte (SEI) lors du cyclage sont pour le
moment, des obstacles majeurs à la commercialisation rapide de ce type d'électrodes.
Ce stage se concentre donc sur l'étude de la formation de cette couche de SEI se formant à la surface du silicium et de sur son évolution lors du
cyclage. La formation et la nature de la SEI seront étudiées sur deux géométries nanométriques du silicium : des nanoparticules et des nanofils. Des
méthodes de caractérisation avancées seront utilisées pour l'étude de la nature de la SEI formée sur les particules et nanofils de silicium, telles que
les microscopies électroniques à Balayage et Transmisison (imagerie et spectroscopie EELS) et la spectromètrie XPS en utilisant les moyens de la
plateforme nano-caractérisation du CEA Grenoble. Le stagiaire aura aussi accés à des moyens de salle blanche pour la réalisation de dispositif à
nanofils uniques pour des analyses in operando, en collabroation avec un post doc du laboratoire.Ce sujet de stage se fait dans le cadre d'un projet
Européen Energie. Le stagiaire sera donc intégré au programme de recherche de ce projet et pourra ainsi bénéficier de l'expertise des laboratoires
partenaires.
Sujet détaillé :
Le lithium est un matériau de choix pour stocker l'énergie électrique des applications mobiles car il est à la fois le métal le plus léger et le plus
réducteur de la classification périodique. Pour des questions de sécurité, dans la majorité des accumulateurs à base de lithium celui-ci ne se trouve
pas à l''état métallique. En effet, les électrodes des accumulateurs Li-ion sont composées de matériaux d'intercalation tels que par exemple le carbone
du côté de l'électrode négative ou le LiCoO2 pour l'électrode positive. Le développement de ce type d'accumulateur nécessite l'emploi de nouveaux
matériaux d'électrode pour augmenter les performances. Avec une capacité spécifique environ 10 fois supérieure à celle du carbone, le silicium est un
nouveau matériau de substitution pertinent. Toutefois, l'expansion volumique et l'instabilité de la couche d'interface avec l'électrolyte (SEI) lors du
cyclage sont pour le moment, des obstacles majeurs à la commercialisation rapide de ce type d'électrodes.
Ce stage se concentre donc sur l'étude de la formation de cette couche de SEI se formant à la surface du silicium et de sur son évolution lors du
cyclage. En raison de ses propriétés, la SEI est difficile à analyser car elle est non seulement de taille nanométrique, mais également très sensible à
l'air. L'analyse de la SEI est donc délicate et nécessite des outils adaptés qui permettent une étude à l'échelle nanométrique. Il convient également de
préserver la SEI de tout contact à l'air et pour satisfaire cette condition, certaines manipulations seront réalisées dans une boîte à gants sous argon et
les transferts à l'aide de capsules adaptées. La formation et la nature de la SEI seront étudiées sur deux géométries nanométriques du silicium : des
nanoparticules et des nanofils. Des méthodes de caractérisation avancées seront utilisées pour l'étude de la nature de la SEI formée sur les particules
et nanofils de silicium, telles que les microscopies électroniques à balayage et transmisison (SEM, (S)TEM) et la spectromètrie XPS.. Ce sujet de
stage se fait dans le cadre d'un projet Européen (Baccara). Le stagiaire sera donc intégré au programme de recherche de ce projet et pourra ainsi
bénéficier de l'expertise des laboratoires partenaires.
•Les nanoparticules de silicium extraites à différentes étapes de la vie d'un accumulateur li-ion seront fournies par l'IMN (l'institut des
matériaux Jean Rouxel (Nantes) et étudiées à Grenoble.
•L'étude sur des nanofils de silicium, fabriqués au sein du CEA-INAC, est fondée sur la réalisation d'un accumulateur à nanofil de silicium. Le
stagiaire mettra à profit les travaux réalisés par un post-doctorant sur le dispositif de l'accumulateur à fil unique. Le stagiaire sera donc amené à suivre
l'élaboration du dispositif en salle blanche (dépôt métallique, lithographie UV...) et suivre les analyses électrochimiques. Le développement de ce
système à pour but le suivi in operando des mécanismes lors du cyclage, dans le microscope électronique à transmission.
•
Le stagiaire sera rattaché au Laboratoire d'Etudes des Matériaux par Microscopie Avancée (LEMMA) au sein de l'inac, et partenaire de la plateforme
nano-caractérisation du CEA Grenoble avec le CEA-Leti et Liten. Le stagiaire travaillera aussi avec d'autres équipes de l'INAC (électrochie et
fabrication nanodispositifs). Au-delà des outils d'analyse de pointe de la PFNC, le stagiaire bénéficiera d'un accès à la salle blanche (PTA) et aux
équipements associés.
Dans la continuité de ce sujet de stage, une thèse est envisagée en codirection avec un des laboratoires partenaires du projet européen.
Compétences requises :
science des Matériaux, Energie, electrochimie
gout experimental