Simulations Moléculaires Appliquées aux Batteries de Lithium

Statut
pourvu

Dans le cadre des besoins de stockage d’énergie liés au développement des véhicules électrifiés de nombreuses études se sont intéressées aux batteries Li-ion, qui présentent des performances adaptées en termes de capacité et puissance par rapport à d’autres technologies de stockage réversible de l’énergie. Les principaux défis à relever pour les batteries Li-ion sont le coût, la sécurité et la durée de vie. Ce dernier défi est impacté par un phénomène de vieillissement qui provoque une perte de performance en termes d’énergie et de puissance. Dans les batteries Li-ion, le principal phénomène physique responsable de ce vieillissement est la croissance d’une couche, dite Solid Electrolyte Interface (SEI). Il s’avère, malgré des recherches effectuées ces dernières années, que la nature et la formation de cette couche formée sur des matériaux carbonés ou lithium métallique restent un sujet de controverse. La modélisation moléculaire pourrait alors être une technique intéressante et complémentaire aux expériences. 
Dans cette thèse nous proposons d'étudier la formation et croissance de cette couche SEI avec une approche de simulation moléculaire multiéchelle. Afin que les conditions opératoires soient représentées fidèlement, les calculs DFT périodiques prendront en compte le chargement électrique de l'électrode pour étudier des réactions entre électrode et solvant de l'électrolyte. Les résultats quantiques serviront à paramétrer un champ de force empirique réactif, qui - avec un bon jeu de paramètres - permet d'étudier les réactions à une échelle de taille et temps supérieure par rapport à la DFT. D'autre part, les deux approches permettent de constituer une bibliothèque de réactions élémentaires avec leurs constantes cinétiques correspondantes. Cette bibliothèque sera, à terme, utilisée pour réaliser des calculs de Monte-Carlo cinétique, permettant de simuler une échelle de temps de secondes ; échelle de temps représentative pour la formation de la couche SEI.
Méthodes théoriques: calculs DFT conditions périodiques, simulations dynamiques moléculaires avec champs de force réactif empirique, et calculs Monte Carlo cinétiques.

Informations complémentaires: Cette thèse est en collaboration étroite avec l’ENS-Lyon et le constructeur automobile Groupe PSA (employeur). 

Mots clefs: Batterie lithium ion, Solid Electrolyte Interphase, Modélisation Moléculaire

  • Directeur de thèse    Dr. STEINMANN Stephan, Laboratoire de Chimie, École Normale Supérieure de Lyon, ORCID 0000-0002-2777-356X. 
  • École doctorale    École Doctorale de Chimie de Lyon - ED 206, https://www.edchimie-lyon.fr/
  • Encadrant IFPEN    Dr. DE BRUIN, Theodorus, Département de Thermodynamique et Modélisation Moléculaire, theodorus-de.bruin at ifpen.fr, ORCID 0000-0001-6997-1786  
  • Localisation du doctorant    IFP Energies nouvelles, Rueil-Malmaison, France - ENS-Lyon, Lyon, France 
  • Durée et date de début    3 ans, début au plus tôt le 15 octobre 2020.
  • Employeur    Groupe PSA, Vélizy-Villacoublay, France
  • Qualifications    M2 en chimie/physique (des solides)
  • Connaissances linguistique    Bonne maîtrise de l’anglais indispensable, français souhaitable
  • Autres qualifications    Connaissances en modélisation moléculaire sont indispensables
Contact
Encadrant IFPEN 
DE BRUIN, Theodorus
Département de Thermodynamique et Modélisation Moléculaire
Texte libre

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