De l'Atome à l'Electrode épaisse dans les Batteries au Sodium

Les batteries au sodium sont particulièrement intéressantes pour les applications de stockage stationnaire [1]. Dans cette thèse, nous proposons d'explorer les propriétés de matériaux d'électrode positive de batteries au sodium. Au-delà de la compréhension des matériaux, essentielle pour cette technologie émergente, ce sujet couple théorie et expérience afin de développer les approches multi-échelles, de l'atome à l'électrode épaisse. Le premier objectif consistera à calculer des fonctions d'énergie libre dépendantes de la structure et de la composition en sodium, dans le but de construire un modèle de champ de phase permettant de décrire le matériau à l'échelle continue. Ces fonctions d'énergie libre seront obtenues à partir des premiers principes, via des calculs de type Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) ou au-delà, et la construction de potentiels interatomiques par apprentissage machine [2]. Ces potentiels permettront d'obtenir l'énergie de différentes structures et des fonctions d'énergie libre globales par méthode de Monte Carlo [3]. Dans un second temps, ce champ de phase sera inclus dans un modèle de type électrode poreuse. En parallèle, des mesures de micro-XRD operando sur cellule complète à différents régimes de charge de C/5 ? 10C seront effectuées à l'ESRF, qui possède la brillance nécessaire pour conserver une résolution temporelle suffisante à des vitesses de charge aussi élevées. Pour analyser la large quantité de données produites, un workflow automatisé produisant des données FAIR et idéalement standardisées pour une comparaison facile avec les résultats de modélisation sera développé. Les structures locales et hétérogénéités de sodium obtenues, qui peuvent dépendre d'effets cinétiques et des conditions de charge/décharge dans les électrodes épaisses, seront interprétées grâce aux structures obtenues par Monte Carlo et modélisation de type Newman, respectivement [4]. [1] C. Delmas, Sodium and Sodium-Ion Batteries: 50 Years of Research, Advanced Energy Materials 8, 1703137 (2018) [2] S. K. Wallace et al., Modeling the high-temperature phase coexistence region of mixed transition metal oxides from ab initio calculations, Physical Review Research 3, 013139 (2021) [3] G. Teichert et al., LixCoO2 phase stability studied by machine learning-enabled scale bridging between electronic structure, statistical mechanics and phase field theories arXiv:2104.08318 (2021) [4] Tardif, S.; Dufour, N.; Colin, J.-F.; Gébel, G.; Burghammer, M.; Johannes, A.; Lyonnard, S.; Chandesris, M. Combining Operando X-Ray Experiments and Modelling to Understand the Heterogeneous Lithiation of Graphite Electrodes. Journal of Materials Chemistry A 2021, 9 (7), 4281?4290.