Développement d’oxydes à haute entropie pour les matériaux actifs de cathodes dans les batteries lithium-ion

Description du projet

Les oxydes à haute entropie (HEO) ont attiré de plus en plus l’attention en tant que matériaux comme matériaux cathodiques dans les batteries lithium-ion en raison de leurs propriétés structurelles et électrochimiques uniques. Contrairement aux oxydes traditionnels composés d’un ou deux cations, les HEO sont constitués de plusieurs cations métalliques (généralement cinq ou plus) dans des rapports proches de l’équimolaire, conduisant à une entropie de configuration améliorée et à la stabilisation des phases de solution solide. Cette caractéristique les rend particulièrement prometteurs pour les applications nécessitant une stabilité sous un cycle prolongé et des densités d’énergie élevées.

L’hypothèse de cette étude est que l’incorporation de plusieurs cations dans les HEO peut améliorer les performances électrochimiques en stabilisant la structure cristalline pendant les cycles de charge / décharge et en réduisant la migration des cations, un problème courant dans les matériaux cathodiques traditionnels. Pour tester cette hypothèse, les cathodes HEO seront synthétisées à l’aide de techniques de réaction à l’état solide, d’hydrométallurgie ou de sol-gel, suivies du frittage. Ces cathodes incorporeront diverses combinaisons de métaux de transition tels que le manganèse, le nickel, le cobalt, le fer et d’autres.

Les méthodes de caractérisation comprendront la diffraction des rayons X (XRD) pour l’identification de phase, l’ICP-OES pour la détermination de la stœchiométrie, la microscopie électronique à balayage (MEB) pour l’analyse morphologique et la microscopie électronique à transmission (TEM) pour l’imagerie au niveau atomique. La structure électronique, les changements structurels et les voies de réaction seront analysés à l’aide de la spectroscopie d’absorption des rayons X. Les performances électrochimiques seront évaluées par le cycle de charge-décharge galvanostatique, la voltampérométrie cyclique (CV) et la spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS). D’autres techniques de soutien peuvent inclure l’analyse de fluorescence des rayons X, l’analyse granulométrique, la spectrométrie de masse électrochimique et le titrage Karl Fischer pour étudier la dégradation lors du cycle.

De plus, la méthode CALPHAD (CALculation of PHAse Diagrams) sera utilisée pour prédire les formations de phase stable et guider la sélection des cations métalliques dans les HEO. CALPHAD utilise la modélisation thermodynamique pour calculer les diagrammes de phase, permettant aux chercheurs de prédire les compositions et les plages de température les plus favorables pour synthétiser des matériaux HEO stables et hautes performances. Cette approche de calcul accélérera la découverte de nouvelles compositions d’oxydes en réduisant le besoin d’essais et d’erreurs expérimentaux étendus. En intégrant CALPHAD, l’étude vise à rationaliser la conception des matériaux et à optimiser les propriétés électrochimiques des batteries lithium-ion de prochaine génération.

L’analyse des données se concentrera sur la corrélation de la composition cationique avec la stabilité de phase, la conductivité ionique et la rétention de la capacité. La recherche vise à développer de nouveaux matériaux cathodiques avec une stabilité, une densité d’énergie et une durée de vie du cycle améliorées, contribuant ainsi à la prochaine génération de batteries lithium-ion haute performance.

Le projet mènera à un doctorat en sciences de l’énergie et des matériaux de l’INRS.

Début

2025

Direction de recherche

• Karin Kleiner (superviseure principale, Prof. INRS-EMT)
• François Allard (co-superviseur, Prof. INRS-EMT)
• Christian Désilets (Collaborateur, CNETE)

Programme d’études

Ce projet d’étude sera réalisé dans le cadre du programme suivant : Doctorat en sciences de l’énergie et des matériaux du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’INRS.

Qualifications requises

Afin de constituer l’équipe de R&D du projet, nous recrutons des candidats motivés, dynamiques et talentueux pour le doctorat en sciences des matériaux et de l’énergie, qui comprend tous les domaines pertinents, y compris : l’ingénierie (matérielle ou chimique), la chimie, la chimie physique ou l’électrochimie. Les étudiants des cycles supérieurs seront recrutés en fonction de leur motivation pour le projet, peu importe leurs origines, leur sexe ou leurs croyances. Un effort sera fait pour recruter des étudiants aux antécédents diversifiés. L’expertise dans les batteries Li-ion est un atout. La connaissance de la thermodynamique et l’expérience dans la synthèse ou la caractérisation de matériaux seront également considérées comme un atout.

Soutien financier

L’INRS offre un soutien financier à sa communauté étudiante. Cependant, les candidats sont également invités à postuler pour des bourses du FRQNT, du CRSNG, etc.

Lieu

UMR INRS-UQTR sur les matériaux et les technologies pour la transition énergétique
Pavillon Tapan-K.-Bose
3351, Boul. des Forges C.P.500
Trois-Rivières (Québec) G9A 5H7
Canada

Emplacement du partenaire :
Centre National en Électrochimie et en Technologies Environnementales Inc.
2263 Av. du Collège porte 7
Shawinigan (Québec) G9N 6V8

Soumission d’une candidature

Les personnes intéressées peuvent soumettre leur demande au professeur François Allard en utilisant le formulaire en ligne. La demande doit comprendre :

1. CV complet
2. Un énoncé de tous vos relevés de notes universitaires
3. Lettre de motivation (maximum de 1 page) décrivant leurs intérêts de recherche
4. Noms et coordonnées de trois (3) personnes pouvant fournir des références ultérieures.