Poste de chercheur postdoctoral (PDF): «Multi-échelle / physique ex-situ vs in-situ vs operando ...

Contexte sociétal, scientifique et technologique

L'humanité est confrontée au XXIe siècle à une demande rapidement croissante de solutions de production et de stockage d'énergie efficaces pour répondre à un besoin fondamental de la société cristallisé dans l'Objectif de développement durable (ODD) N ° 7 des Nations Unies: garantir l'accès à une énergie abordable, fiable, durable et moderne pour tous. Ces demandes pressantes appellent à des avancées en matière d'innovation qui débloquent les futurs obstacles technologiques (déjà prévus) pour une production d'énergie plus sûre / plus propre (décarbonée) (c'est-à-dire l'optimisation du bon mix énergétique) équilibrée par l'accès tout aussi important aux solutions de stockage d'énergie 2.0 pour assurer une énergie faisable équilibre sur une planète aux ressources limitées. Ces problèmes aigus et critiques créent des opportunités sans précédent, mais vraiment stimulantes, pour les chercheurs de produire des impacts considérables et transformateurs au profit de nos sociétés. Cela est particulièrement vrai pour le développement de futures solutions de stockage d'énergie électrochimique, qui dépendent des progrès de la science et de la technologie pour permettre des batteries rechargeables plus sûres de conception avec des densités d'énergie améliorées.

Dans ce contexte, le développement de batteries à base d'anodes métalliques réactives de prochaine génération (par exemple Li, Na ou K) est envisagé comme des technologies clés prometteuses. Pour les batteries rechargeables à base de lithium (LiB), l'anode métallique permettrait en effet de décupler la capacité spécifique par rapport à une anode en graphite. Néanmoins, la commercialisation de batteries secondaires au lithium métal (LMB) ne deviendra possible que lorsque les problèmes de sécurité et de performance actuels auront été surmontés: i) Fuites, mauvaise stabilité chimique, inflammabilité et réactions parasites avec le métal Li, ii) lithium instable et dendritique dépôt, et iii) des performances plutôt limitées d'électrolytes organiques (liquides). Ces problèmes sont en partie associés au cœur des LiB, à savoir les électrolytes: des électrolytes organiques liquides avec de faibles nombres de transfert cationique, et des conductivités ioniques relativement faibles et des propriétés mécaniques médiocres pour les électrolytes polymères (SPE) sel-dans-polymère (solides). Cela nécessite un nouveau plan pour déclencher des percées en matière d'innovation permettant des chimies cellulaires durables et efficaces, ouvrant la voie de la commercialisation vers des batteries secondaires (très) attendues, plus sûres par conception et plus performantes.

Objectifs et rationnel

Dans la lignée de la trajectoire de l'initiative européenne (FET-Flagship) Battery 2030+, qui dure depuis dix ans (site Web: https://battery2030.eu/: Manifesto & Roadmap), ce projet de recherche PDF vise à multi-échelle / physique ex -situ vs in situ vs operando caractérisation électrochimique / structurelle des LMB auto-cicatrisants.

Pour réaliser cette ambition et aller au-delà de l'état de l'art (SoA), ce projet axé sur la recherche fondamentale s'appuie sur une classe innovante d'électrolytes organiques 2.0 basée sur la matière molle: les cristaux liquides ioniques thermotropes (TILC). Ces électrolytes accordables par conception à conduction ionique et chimiquement neutres (concept générique pour Li + Na +, K + (etc.) à base) représentent la fusion de deux classes connues de matériaux: les cristaux liquides thermotropes réactifs aux stimuli et à auto-assemblage dynamique ( CCM) et conducteurs organiques cationiques (Li + / Na + / K +). Son objectif primordial et rationnel sera de fournir des démonstrations de preuve de concept de leur capacité d'auto-guérison combinée à une fonctionnalité de transport cationique nanoconfinée efficace dans les morphologies 1D, 2D ou 3D prescrites reliant l'anode Li Metal et la cathode des LMB.

Tâches de recherche PDF

Le PDF visera principalement à déchiffrer les corrélations multi-échelles électrochimie / structure / transport ionique au sein des TILC et TILC / électrodes interphase dans les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique (batteries et cellules de poche) pour surveiller le volume électrochimique et les processus / réactions interfaciaux et leur impact sur les KPI. (Indicateurs de performance clés) des LMB auto-cicatrisants développés dans le cadre du projet HIDDEN H2020 (Grant Agreement # 957202)

Elle / Il sera également en charge de caractériser (la structure & la dynamique des) TILC synthétisés par le partenaire CNRS + UGA & Polymères Spécifiques du projet H2020 (Grant Agreement # 957202) HIDDEN. Elle / Il abordera deux questions fondamentales pour les électrolytes organiques nanostructurés auto-cicatrisants dans les dispositifs de stockage d'énergie électrochimique de nouvelle génération: i) le rôle de la dimensionnalité (1D vs 2D vs 3D) sur la percolation et le nanoconfinement des porteurs de charge dans une phase multi-échelle- électrolyte séparé avec des sous-phases isolantes et conductrices auto-organisées hiérarchiquement et ii) la mosaïque dynamique et la gestion des défauts dans la matière molle à conduction ionique, avec ou sans stimuli externes.

Pour réaliser ces tâches imbriquées, elle / Il bénéficiera de SoA Lab. (UMR5819-SyMMES: plateforme HyBRID-EN) et des installations européennes (ex: ESRF & Soleil) dédiées (ex situ / in situ / operando) caractérisant les plates-formes multimodales / physiques, utilisant et / ou combinant: Haute résolution & Spectroscopies RMN à l'état solide (RMN HR et SS-RMN) et FTIR, calorimétrie différentielle à balayage (DSC), microscopie optique polarisée (POM), diffusion des rayons X à base de synchrotron (SAXS / WAXS) et rayons X (( nano-) Tomographie calculée et imagerie cohérente (nano-faisceau) diffractive), spectroscopie d'impédance électrochimique potentiostatique (PEIS), cyclage galvanostatique avec limitation de potentiel (GCPL), technique de titrage intermittent galvanostatique (GITT) RMN du gradient de champ d'impulsion (PFG-RMN) , et la relaxométrie RMN, pour n'en nommer que quelques-uns.

Contexte de travail

C o-conseillé par Dr. P. Rannou (ORCID: 0000-0001-9376-7136. PR's Homepage :) et Prof. S. Sadki (ORCID: 0000-0002-4187-6039.) Au laboratoire UMR5819-SyMMEs à Grenoble dans les locaux du campus de Grenoble Innovation pour les Nouvelles Technologies Avancées (GIANT), le PDF sera intégré au sein de l'équipe CNRS + UGA d'un projet H2020 d'une durée de 3 ans récemment accordé (Thème: LC-BAT-14-2020: « Fonctionnalités d'auto-guérison pour une chimie des cellules de batterie longue durée. »Type d'action: RIA. Budget: 4 000 000 €. Date de début: 1er septembre 2020. Date de fin: 31 août 2023) rassemblant l'expertise et le savoir en matière de fertilisation croisée comment de sept partenaires (VTT, CNRS + UGA, CSEM, BFH, Belenos Clean Power, Specific Polymers & RTD Talos Ltd à travers l'Europe dans le cadre de l'initiative européenne Battery 2030+ (https://battery2030.eu) HIDDEN project (Grant Agreement # 957202) ).

Sites Web: https://cordis.europa.eu/project/id/957202 et https://www.hidden-project.eu/

LinkedIn: https://www.linkedin.com/showcase/hidden-project

Twitter: https://twitter.com/HIDDENProjectEU

Facebook: https://www.facebook.com/HiddenProjectEU

Au sein de cet environnement scientifique ((électro) chimie, physique, nano-science / technologies, stockage d'énergie électrochimique, nano-ionique / fluidique) et multinational, il / elle sera fortement impliqué dans les tâches très polyvalentes et complètes du H2020 ( Accord de subvention n ° 957202) Projet HIDDEN, bénéficiant d'interactions (et courts séjours et actions de formation spécifiques) au sein d'un écosystème de recherche et d'innovation unique composé de laboratoires académiques, de PME, d'organisations de recherche et de technologie (RTOs spécialisés dans le transfert de technologie et la recherche orientée vers l'industrie et Innovation), et les fabricants de batteries à la pointe de la recherche et de l'innovation sur la matière molle fonctionnelle et le stockage d'énergie électrochimique «au-delà du SoA» pour développer son projet de recherche PDF et étendre son réseau professionnel

Lectures complémentaires (Thèmes: cristaux liquides fonctionnels, transport ionique nanoconfiné, électrolytes de copolymère de précision, électrolytes de polymère solide, électrolytes à base de TILC): articles sélectionnés et brevets sur la période 2014-2020

*1. D. Bresser, D; Leclere, M; Bernard, L; Rannou, P .; Mendil-Jakani, H; Kim, GT; Zinkevich, T; Indris, S; Gebel, G .; Lyonnard, S; Picard, L; «Cristaux liquides organiques comme conducteurs Li + mono-ion», ChemSusChem , (2020). DOI: 10.1002 / cssc.202001995

* 2. Cherian, T .; Rosa Nunes, D.; Dane, TG; Jacquemin, J .; Vainio, U .; Myllymäki, T .; Timonen, J .; Houbenov, N.; Maréchal, M .; Rannou, P .; Ikkala, O. "Auto-assemblage supramoléculaire de liquides ioniques nanoconfinés pour un transport rapide des ions anisotropes", Adv. Funct. Mater. 29 , 1905054 (2019). DOI: 10.1002 / adfm.201905054

* 3. Myllymäki, TTT; Guliyeva, A .; Korpi, A .; Kostiainen, MA; Hynninen, V .; Nonappa; Rannou, P .; O. Ikkala; O., Halila, S. "Cristaux liquides lyotropes et polymères supramoléculaires linéaires d'oligosaccharides fonctionnalisés en extrémité", Chem. Commun. 55 , 11739-11742 (2019), DOI: 10.1039 / C9CC04715H

* 4. Overton, P .; Rannou, P .; Picard L. «Macromolécules de sulfonamide utiles comme électrolytes polymères conducteurs mono-ioniques», FR3068693, WO / 2019/008061, 10 janvier 2019. PCT / EP2018 / 068135

* 5. Trigg, EB; Gaines, TW; Maréchal, M .; Moed, DE; Rannou, P .; Wagener, KB; Stevens, MJ; Winey, KI «Des couches d'acide hautement ordonnées auto-assemblées en polyéthylène sulfoné avec précision produisent un transport efficace des protons», Nat. Mater. 17 , 725-731 (2018). DOI: 10.1038 / s41563-018-0097-2

* 6. Delhorbe, V .; Bresser, D.; Mendil-Jakani, H .; Rannou, P .; Bernard, L .; Gutel, T .; Lyonnard, S.; Picard, L. «Dévoilement du mécanisme de conduction ionique dans les poly (liquides ioniques) à base d'imidazolium: une étude complète de l'interaction structure-transport», Macromolecules 50 , 4309-4321 (2017). DOI: 10.1021 / acs.macromol.7b00197

*sept. Picard, L.; Gebel, G .; Leclère, M .; Mendil-Jakani, H .; Rannou, P., «Electrolytes for electrochemical generators», FR3041358, US20180261886, EP3353262, WO / 2017/050769, 30 mars 2017. PCT / EP2016 / 072312

* 8. Ikkala, O .; Houbenov, N.; Rannou, P., "De l'auto-assemblage de copolymères blocs, de la cristallinité liquide et des concepts supramoléculaires aux fonctionnalités", Handbook of Liquid Crystals (8 volumes), 2e édition, Eds. JW Goodby, PJ Collings, T.Kato, C. Tschierske, H. Gleeson, P. Raines, ISBN-13: 978-3-527-32773-7, Wiley-VCH, Weinheim, Allemagne, Volume 7: Supramolecular and Polymer Cristaux liquides, 541-598 (2014). DOI: 10.1002 / 9783527671403.hlc122

Mots clés

1: Électrochimie.

2: Stockage d'énergie électrochimique.

3: Batteries lithium-métal (LMB).

4: Corrélations multi-échelles / structure physique / transport ionique: SAXS / WAXS, rayons X CDI / CT & CV, EIS, PEIS, GCPL, GIIT.

5: Ex-situ vs in situ vs operando SoA caractérisations multimodales au sein du laboratoire. (SyMMES) et (à base de synchroton) installations à grande échelle (par exemple ESRF / Soleil).

6: Électrolytes auto-cicatrisants.

7: Cristaux liquides ioniques thermotropes (TILC).

8: Transport ionique nanoconfiné: NanoIonics / Nanofluidics.