Laboratoire de Rhéologie Laboratoire d’Electrochimie et de UMR 5520, Grenoble INP, Université Joseph Fourier Physicochimie des Matériaux et http://rheologie.ujf-grenoble.fr/ des Interfaces UMR 5621, Grenoble INP http://lepmi.grenoble-inp.fr/ Titre: Elaboration et caractérisation de nouvelles membranes composites organiques obtenues par electrospinning pour une application batterie au lithium Sujet de post-doctorat
Ce sujet, associant le LEPMI et le Laboratoire de Rhéologie, est centré sur le thème de
l'élaboration et la caractérisation de membranes polymère pour piles Lithium.
Le travail portera tout d'abord sur l'élaboration de membranes polymères macroposeuses par
electrospinning: un moyen de mise en forme original de polymères permettant de produire un réseau de fibres de diamètre submicrométrique. Ce procédé de filage de polymères sous champs électrique intense sera optimisé en tenant compte de multiples paramètres tels que la nature des polymères, la concentration, la tension de surface et les propriétés viscoélastiques élongationelles du polymère ainsi que l'intensité du champ électrique, la température et le taux d'humidité dans l'environnement de la fibre. Deux types de polymères seront mise en forme par électrospinning : un polymère fluoré de type PVdF (Polyfluorure de vinylidène) et un polymère "Hautes Performances" à squelette polyaromatique. Les membranes macroporeuses ainsi obtenues pourront être imprégnées avec (i) des électrolytes liquides ou (ii) des macromonomères peu visqueux, incompatibles avec le squelette fibreux et permettant une post-réticulation. Il sera ainsi possible d’évaluer les mats obtenus par electrospinning dans les deux types de batteries (i) les batteries à électrolyte liquide de type lithium-ion et les batteries à électrolyte solide de type Lithium-Polymer-Batteries.
La seconde partie du travail consistera à caractériser les propriétés de ces nouvelles
membranes. La microstructure des membranes, caractérisée par microscopie électronique à balayage, sera couplée à une caractérisation multi-échelles des propriétés mécaniques: à l'échelle d'une fibre par AFM et à l'échelle du réseau par DMA. Les propriétés thermodynamiques, telles que le taux de cristallinité et la température de transition vitreuse Tg, seront étudiées. Le taux de cristallinité des membranes à base de PVdF est un facteur limitant l’imprégnation des fibres par l’électrolyte liquide et favorise de ce fait leur tenue mécanique. Dans le cas des fibres à base de polymères amorphes "Haute Performance", le maintien des caractéristiques mécaniques en présence d’électrolytes liquides sera conditionné par le maintien de fortes températures de transition vitreuse Tg. En effet l’imprégnation de la fibre par tout ou partie de l’électrolyte se traduira par une baisse de Tg d’autant plus importante que l’imprégnation sera forte. Dans ce type de membranes macroporeuses la tenue mécanique, en présence d’électrolyte, doit être optimisée pour permettre d’élaborer l’électrolyte en films le plus mince possible (impacts positifs sur la résistance interne de la batterie, sur le coût et sur la sécurité). Tout en absorbant un minimum d’électrolyte, le matériau fibreux doit avoir une affinité suffisante avec l’électrolyte pour assurer une forte conductivité ionique dans la porosité du séparateur. Ces différentes mesures permettront de comparer l'efficacité des nouvelles membranes par rapport à un mode d'obtention classique (inversion de phase).
Le candidat devra posséder de solides connaissances en élaboration et caractérisation de
polymères. Des notions sur les méthodes innovantes (electrospinning…) de mise en forme de ces matériaux seraient un atout.
Laboratoires d'accueil et encadrement: Laboratoire de Rhéologie, UMR 5520, 1301 rue de la Piscine, Domaine Universitaire, BP 53, 38041 Grenoble Cedex 9 Frédéric Bossard, maître de conférences E-mail: [email protected] Tel.: 04 76 82 51 79 Laboratoire d’Electrochimie et de Physicochimie des Matériaux et des Interfaces, LEPMI, UMR 5631, 1130 rue de la piscine, Domaine Universitaire, 38402 Saint-Martin d'Hères cedex. Jean-Yves Sanchez, Professeur d'Université E-mail: [email protected] Tel.: 04 76 82 65 60 Montant de la rémunération prévue : Recrutement à l’INM 514 (montant brut : 2 368.13 €) Date de recrutement : 1 septembre 2010 Title: Development and characterization of new organic composite membranes obtained by electrospinning for applications in lithium battery
This post-doctorate position, involving the LEPMI and the Laboratory of Rheology, focuses on
the processing and characterization of polymer membranes for lithium batteries.
The first task will concern the production of macroporous membranes by using
electrospinning: an original process to produce submicrometric fibers in diameter. This spinning process of polymers under strong electric fields will be optimized by taking into account multiple parameters such as the nature of polymer, concentration, surface tension, elongational viscoelastic properties of polymer, intensity of the electric field, temperature and the moisture in the environment of the fiber. Two types of polymers will be processed by Electrospinning: a fluoropolymer type PVdF (polyvinylidene fluoride) polymer and a "High Performance" polymer with a polyaromatic skeleton. Macroporous membranes so formed can be treated with (i) liquid electrolytes or (ii) macromonomers of low viscosity, incompatible with the fibrous network and allowing a post-crosslinking. This will allow to assess the mats produced by electrospinning in the two types of batteries (i) batteries with lithium-ion like liquid electrolyte battery and lithium-polymer as solid electrolyte-like batteries. The second part of the thesis is to characterize the properties of these new membranes. The microstructure of membranes, characterized by scanning electron microscopy, will be associated with a multi-scale characterization of mechanical properties at the fiber' scale by AFM and at the macroscopic scale by DMA. The thermodynamic properties, such as the rate of crystallinity and glass transition temperature Tg, will be studied. The degree of crystallinity of membranes composed of PVdF is a limiting factor of the impregnation of fibers by the liquid electrolyte and thereby promoting their mechanical strength. In the case of fiber-based amorphous polymers "High Performance", maintaining the mechanical properties in the presence of liquid electrolytes will be conditioned by maintaining high glass transition temperatures Tg. In fact, the impregnation of the fiber by the electrolyte leads to decrease Tg. In this type of macroporous membrane, mechanical strength in the presence of electrolyte must be optimized to develop the electrolyte film as thin as possible (positive impacts on the internal resistance of the battery, the cost and the security). While absorbing a minimum of electrolyte, the fibrous material should have sufficient affinity with the electrolyte to ensure a high ionic conductivity in the porosity of the separator. These measures will be helpful to monitor the effectiveness of new membranes compared to a conventional method of production (phase reversal).
The candidate should have strong knowledge in processing and characterization of polymers.
Experience/knowledge of electrospinning will be a plus.
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