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Junior Investigator – 3 year fellowship – Innovate Massive Data Processing Methods to Boost the Analysis of Lithium-ion Battery Characterizations at Large-scale Facilities

Le programme Science Impulse, proposé par CEA Tech, la Direction de la Recherche Technologique du CEA, vous offre une formidable opportunité de concrétiser vos idées et de diriger votre propre projet de recherche au bénéfice de l'industrie et de la société. 

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🎓 Qualification : PhD • 🤝 Employment type : CDD 3 ans • 📍 Location : Grenoble, France

Le CEA-Liten recrute un. e jeune scientifique de haut niveau, qui sera chargé.e de faire progresser les méthodes de traitement massif des données pour faciliter l’analyse des caractérisations de batteries lithium-ion sur de grands instruments scientifiques. Le ou la lauréat.e de cette bourse Science Impulse de 3 ans dirigera son propre projet de recherche. Il ou elle travaillera avec le CEA-Liten et d’autres équipes scientifiques et aura accès au synchrotron de l’ESRF.

Contexte

Loin d’être nouvelles, les batteries lithium-ion sont même très utilisées. Pourtant, en produire qui soient sûres, durables et ultra-haute performance reste un défi – qu’il faudra relever pour favoriser l’essor de la mobilité électrique et des solutions de stockage d’énergie portables et stationnaires. Pour cela, il faudra mettre au point des matériaux et des procédés chimiques, mais aussi des outils et méthodes de caractérisation avancés permettant d’étudier les propriétés volumiques et interfaciales des matériaux actifs utilisés.
Les investigations in situ et in operando en conditions réalistes suscitent toujours plus d’intérêt, et les scientifiques se tournent vers les techniques synchrotron pour étudier en temps réel une grande variété de technologies de batteries. L’imagerie synchrotron offre une compréhension unique des phénomènes chimiques, morphologiques et structurels à l’œuvre dans les électrodes et électrolytes, à des échelles de longueur multiples et avec une résolution spatiale/temporelle élevée.

Portée et applications

Pour relever ce formidable défi, les chercheurs du CEA ont mis au point plusieurs cellules électrochimiques permettant d’acquérir ces données in situ et/ou in operando tout en conservant des performances électrochimiques raisonnables. Ils ont utilisé différentes techniques de tomographie pour obtenir des données volumétriques. La tomographie standard par absorption se base sur le contraste entre les différentes densités électroniques pour reconstruire une image en 3D du système et étudier l’évolution morphologique des matériaux. Dans la tomographie par diffraction des rayons X assistée par ordinateur (XRD-CT), l’information dans le voxel est un diffractogramme de rayons X qui nous renseigne sur la structure cristalline du matériau et sur son évolution pendant le cyclage. Ces techniques peuvent être combinées sur le même système, mais les volumes étudiés diffèrent, de même que les résolutions obtenues.

Ces techniques au potentiel révolutionnaire génèrent toutefois d’énormes volumes de données. Pour tenir leurs promesses, elles devraient être étayées par des méthodes de visualisation, de traitement et d’analyse corrélative robustes, rapides et physiquement exactes.

Job description

La recherche proposée analysera en particulier des ensembles de données spatiales et temporelles 3D et 4D acquises par microtomographie aux rayons X, nanotomographie, tomographie à neutrons, XRD-CT, SAXS/WAXS-CT et d’autres techniques d’imagerie avancée.

La reconstruction et la segmentation des volumes et l’analyse des données tomographiques sont des tâches manuelles ou semi-automatisées très chronophages. Cette recherche visera à automatiser le flux de travail, de la collecte à la reconstruction des données, et à mettre au point des algorithmes d’apprentissage automatique adaptés aux techniques d’imagerie utilisées.

Le CEA-Liten recherche un.e jeune scientifique expérimenté.e qui positionnera le laboratoire à la pointe de la recherche sur le traitement massif des données. Le projet s’inscrit dans le partenariat stratégique Battery Hub avec l’Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF). Dans ce cadre, le CEA pilote une phase test de 3 ans qui lui vaut un accès privilégié à l’ESRF. La personne sélectionnée bénéficiera en outre de l’expertise du CEA-Liten dans le domaine des batteries. Le ou la jeune chercheur.se assumera la direction scientifique du projet. Il ou elle devra savoir travailler dans un champ pluridisciplinaire, avec des équipes réparties dans tout le CEA-Liten et chez ses partenaires.

Biblio references

  • G. Tonin, G. Vaughan, R. Bouchet, F. Alloin, C. Barchasz, Operando X-ray absorption tomography for the characterization of lithium metal electrode morphology and heterogeneity in a liquid Li/S cell, J. Power Sources, 2022, 520, 230854
  • S. Tardif, N. Dufour, J.F. Colin, G. Gebel, M. Burghammer, A. Johannes, S. Lyonnard & M. Chandesris Contribution of operando X-ray experiments and modeling to the understanding of the heterogeneous lithiation of a graphite electrode, Journal of Materials Chemistry A, 2021, 9, 4281
  • Vorauer, T.; Kumar, P.; Berhaut, C. L.; Chamasemani, F. F.; Jouneau, P.-H.; Aradilla, D.; Tardif, S.; Pouget, S.; Fuchsbichler, B.; Helfen, Lukas; Atalay, S.; Widanage, W. D.; Koller, S.; Lyonnard, S.; Brunner, R*. Multi-scale quantification and modeling of aged nanostructured silicon-based composite anodes, Communication Chemistry, 2020, 3, 141C
  • Berhaut, D. Dominguez, P. Kumar, P.-H. Jouneau, W. Porcher, D. Aradilla, S. Tardif, S. Pouget, S. Lyonnard, Multiscale Multiphase Lithiation and Delithiation Mechanisms in a Composite Electrode Unraveled by Simultaneous Operando Small-Angle and Wide-Angle X-Ray Scattering, ACS Nano, 2019, 13, 11538
  • G. Tonin, G. Vaughan, R. Bouchet, F. Alloin, M. Di Michel, L. Boutafa, J.-F. Colin, C. Barchasz, Multiscale characterization of a lithium/sulfur battery by coupling operando X-ray tomography and spatially-resolved diffraction, Scientific Reports, 2017, 7, 2755

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