Thèse Impression 3D de Batteries par Dépot d'Encres H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Picardie - Jules Verne École doctorale : Sciences, Technologie, Santé Laboratoire de recherche : LRCS - Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides Direction de la thèse : Vincent SEZNEC Début de la thèse : 2026-09-01 Date limite de candidature : 2026-05-29T23:59:59 L'objectif de la thèse est de fabriquer des batteries Li-ion ou Na-ion à l'aide de l'impression 3D. Pour cela, une imprimante 3D spécifique (Neotech AMD) sera utilisée afin de permettre l'impression multi-matériaux (deux pour les électrodes, un pour le séparateur et un pour l'enveloppe) par dépôt d'encres de viscosités différentes.Dans ce cadre, des matériaux d'électrodes « modèles » seront utilisés afin que les performances des batteries ainsi conçues puissent être directement comparées à celles de batteries fabriquées de manière conventionnelle. Il sera nécessaire d'étudier la formulation d'encres semi-solides pour la cathode, l'anode et le séparateur (dans l'hypothèse de la fabrication de batteries dites « tout solide », ASSB) pour l'impression directe de batteries Li-ion ou Na-ion.

Le premier objectif est de parvenir à imprimer les différents composants en une seule étape, de sorte qu'ils puissent être intégrés directement dans un objet imprimé afin de créer une batterie structurelle. La seconde originalité de la thèse concerne les géométries non planes pouvant être réalisées par impression 3D. Des simulations numériques et plusieurs études expérimentales ont montré le gain potentiel en termes de performances.

Ainsi, plusieurs architectures 2,5D voire 3D seront étudiées afin de construire une batterie entièrement imprimée en 3D, capable de fournir une capacité surfacique d'environ 4 mAh/cm² à une densité de courant de 0,1 mA/cm². Dans le contexte de la transition énergétique et afin de répondre aux objectifs nationaux et européens, le développement des systèmes de stockage électrochimique de l'énergie, tels que les batteries, connaît une croissance exponentielle. Qu'il s'agisse de répondre à la demande de stockage stationnaire des énergies renouvelables intermittentes (solaire, éolien) ou du développement de l'électromobilité, le besoin en batteries toujours plus performantes augmente, tant en termes d'autonomie que de sécurité. Ces exigences se traduisent notamment par la nécessité d'augmenter la densité d'énergie (surfacique et volumique) des systèmes de stockage, en particulier des batteries Li-ion, tout en remplaçant ou en minimisant la quantité d'électrolyte liquide, hautement inflammable et source de problèmes de sécurité.

Par ailleurs, l'impression 3D de batteries permet d'envisager des conceptions complexes, difficiles voire impossibles à réaliser avec les méthodes de fabrication traditionnelles, et peut conduire à une optimisation de l'utilisation de l'espace et des performances des batteries. Par exemple, des premiers travaux expérimentaux et numériques sur des architectures 3D ont montré des vitesses de charge et de décharge plus rapides que celles des architectures conventionnelles, mais avec une densité d'énergie plus faible. Malheureusement, les tentatives d'impression 3D de batteries complètes (électrodes et électrolyte) n'ont pas encore donné de résultats satisfaisants. Cela s'explique en partie par une résolution insuffisante ou des matériaux non optimisés, mais surtout par l'utilisation d'une seule technologie pour imprimer à la fois les électrodes et l'électrolyte. Dans ce travail, il est proposé d'utiliser le procédé d'extrusion de matière, en recourant à différentes technologies selon les propriétés rhéologiques des matériaux et les épaisseurs souhaitées. Quatre technologies sont envisagées : l'extrudeuse à filament ou granulés, l'alimentation par vis, l'alimentation piézoélectrique et l'alimentation pneumatique. Ces quatre technologies permettent de déposer des matériaux dont la viscosité varie de 1 mPa·s (eau) à 10 mPa·s (thermoplastiques fondus).

Pour la fabrication des batteries, des matériaux d'électrodes « modèles » sont sélectionnés, au moins dans un premier temps. Pour le système lithium, LiFePO peut être utilisé pour la cathode et LiTiO pour l'anode. Leurs propriétés électrochimiques sont bien connues et ces matériaux ont déjà été associés dans d'autres systèmes électrochimiques, permettant une comparaison directe. Pour le système sodium, NaV(PO) ou NaV(PO)F peuvent être utilisés pour la cathode, et du carbone dur pour l'anode. Là encore, ces matériaux sont bien connus au laboratoire et ont été utilisés dans des batteries, ce qui permet une comparaison directe des performances électrochimiques.

Dans la perspective de produire des batteries tout solide, des grenats de type LLZO (système lithium) ou des matériaux de type NASICON (système sodium), disponibles au laboratoire, peuvent également être testés et utilisés le cas échéant. impression 3d

Très fort intérêt pour le travail expérimental et les manipulations, en chimie des matériaux et en électrochimie, avec des connaissances en polymères et en rhéologie (un plus). Goût pour le « bricolage », rigueur, autonomie et envie de développer de nouvelles idées.
La maîtrise de l'anglais est requise.