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Offre de stage 2018-2019

Publié le 15 octobre 2019

Développement et validation de tests de vieillissement accéléré en stack de PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

L’hydrogène et sa conversion dans des piles à combustible à membrane échangeuses de protons sont considérés comme une voie privilégiée de remplacement des solutions classiques pour la production d’énergie électrique. La durée de vie des systèmes est un des verrous à lever avec, pour l’application automobile, une contrainte supplémentaire provoquée par l’exigence d’un rapport initial performance / coût particulièrement élevé. L'étude des sources de dégradation permet de définir des voies d’amélioration sur la composition ou les conditions d’utilisation des piles mais aussi des tests de vieillissement accélérés afin de réduire les coûts de développement. Ce sujet de stage s'inscrit dans le cadre des actions de recherche du CEA/liten sur l’impact de tests accélérés spécifiques appliqués sur des stacks, c’est-à-dire à une échelle représentative des objets mis en oeuvre dans les système réels. La finalité sera de démontrer la représentativité et le niveau d’accélération causé par les AST appliqués en stack (c’est-à-dire provocation des même types de mécanismes qu’en vieillissement réel mais entrainant une perte des performances plus rapide).
Les actions à mener seront les suivantes :
- Identification ou sélection des paramètres accélérant la dégradation sur la base de données de tests existantes (projets en cours).
- Définition des conditions et protocoles spécifiques à appliquer en stack, par la combinaison de cycles ou conditions favorisant différents mécanismes de dégradation (et exploitation des mesures locales).
- Mise en oeuvre des protocoles avec suivi in-situ des dégradations des propriétés et des performances, et réalisation des analyses post-mortem des dégradations locales sur les composants.
- Comparaison et estimation de l’accélération par rapport au vieillissement en conditions réelles.

Membrane alcaline pour énergie

Le stage proposé est un stage expérimental.
L'étudiant aura pour mission de tester différents matériaux: membranes anioniques et catalyseurs
A la fin du stage l'objectif sera d'identifié quelle combinaison membranes/catalyseurs sont les plus prometteurs pour les applications piles à combustible, électrolyseur et cellule regénérative.
Pour se faire l'étudiant devra mettre en forme des Assemblages-Membranes-Electrodes (AMEs) et les tester sur des bancs de tests électrochimiques dans les conditions représentatvies des applications envisagées.

Contrôle de la structure des couches actives et de leurs interfaces avec les membranes ionomères et les couches de diffusion dans les PEMFC

La méthode dite CCM (Catalyst Coated Membrane) qui consiste à assembler la CA (couche active) sur la membrane avant d’intégrer la GDL (Gas Diffusion Layer) doit permettre l’assemblage de composants affinés ayant des chargements en platine de plus en plus faibles tout en contrôlant la morphologie. Des développements récents au laboratoire permettent de maîtriser l’obtention de couches microniques homogènes par cette technique mais la microstructure des couches actives et ses interfaces, notamment avec la membrane doivent être optimisées pour augmenter la performance des coeurs de pile.
Techniques utilisées: Formulation d’encres, dispersion, impression, procédé transfert par thermocollage, caractérisation physico-chimiques et thermomécaniques.

Batterie lithium utilisant des matériaux d’électrode organiques pour application très basse température (en dessous de -40°C)

La technologie des batteries lithium est une des plus prometteuses pour le stockage stationnaire et l’électromobilité mais ses performances électrochimiques sont très fortement réduites à basses températures (-20°C). En effet, la conductivité des électrolytes diminue drastiquement mais surtout l’insertion des ions lithiums au sein de la structure des matériaux inorganiques est ralentie dans ces conditions extrêmes.
En plus de leur empreinte environnementale réduite et de leur coût plus faible, les matériaux d’électrodes organiques, c’est-à-dire constitués d’éléments abondants (C, H, O, N voir S), ont des mécanismes de stockage spécifiques au cours desquels la réaction électrochimique s’accompagne d’une complexation des ions lithium, phénomène moins sensible à basse température que l’intercalation et la diffusion dans des composés cristallisés.
L’objectif de ce stage est de démontrer qu’il est possible d’utiliser certains des matériaux actifs organiques développés au laboratoire pour assembler une batterie fonctionnant à très basses températures (-40°C voir -70°C).

Système de communication optique pour Smart Cell dans un pack batterie Li-Ion de véhicule électrique

Dans le cadre de ce stage, nous souhaitons aborder le problème du câblage des cellules électrochimiques au sein d'un pack batterie pour véhicule électrique. En effet, ce type de pack batterie peut contenir un très grand nombre de cellules (plus de 7000 cellules pour une TESLA Model S). On se place ici dans le contexte d’un pack batterie innovant mettant en oeuvre des cellules plus ou moins instrumentées (courant, tension, température, déformation, etc…), dotées d’une électronique individuelle et d’une capacité plus ou moins importante de traitement de l’information. Ce type de cellule, appelée Smart Cell, doit pouvoir communiquer avec l’unité centrale de traitement du Battery Management System. Afin d’éviter un câblage de chacune des cellules avec l’unité centrale, ce qui occasionne une complexité d’assemblage élevé, un ajout de poids et un risque de défaut et de vieillissement du système lié à la dégradation des connectiques, un système de communication sans-fil entre les cellules et l’unité centrale doit être mis en place.
L'objectif du stage est double :
- Elaboration d'un protocole de communication optique asynchrone, robuste, distribué et multiplexé intégrable dans une électronique bas cout et très basse consommation.
- Conception d'un démonstrateur d'une douzaine de smartcell ainsi que d'un boitier d'interface avec un PC (électronique + soft embarqué)
Le stage se déroulera en plusieurs étapes :
1) Étude bibliographique sur les batteries Li-Ion, les architectures pack batterie, les systèmes BMS et les systèmes de
communications sans fils.
2) Etude des systèmes de communications optiques
3) Elaboration d'un protocole de communication adapté
4) Développement des différents composants du système de communication optique adapté à l’application (émetteur,
récepteur, lien de communication, algorithmes de transmission)
5) Mise en oeuvre d’un démonstrateur d'une douzaine de smartcell en utilisant des composants COTS (Component Off the Shelf)
6) Test et validation du démonstrateur
7) Analyse des performances du système

Réaliser une électronique embarquée, HW et SW, pour la mesure de l'impédance électrique d'une pile à hydrogène, pour monitorer son état

Dans le domaine de la mobilité électrique, les batteries Li-ion et les piles à hydrogène représentent les deux solutions principales de stockage de l’énergie. Bien que très différentes entre elles, des nombreux points communs existent entre les deux solutions pour ce qui concerne la gestion et le monitorage du système d’un point de vue électrique. Plus précisément, une batterie Li-ion est toujours accompagnée par un système de gestion appelé BMS (Battery Management System), ainsi qu’une pile à hydrogène est couplée à un FCMS (Fuel Cell Monitoring System). Les deux systèmes sont souvent conçus comme un ensemble de cartes électroniques déployées au plus près du système de stockage et d’une unité centrale qui concentre le traitement des données et donne les ordres, par communication sur bus CAN, aux cartes. Dans le domaine de la Fuel Cell, on cherche aujourd'hui à améliorer le monitoring effectué par un FCMS standard avec l'introduction de mesures plus avancées, afin d'effectuer un vrai diagnostic en temps réel et de prévenir la dégradation de la pile. Une piste prometteuse est celle de la mesure en ligne (=en temps réel) de l’impédance électrique de la FC, aujourd’hui exploitée seulement en phase d’assemblage et de pré-qualification.
L’objectif du stage est celui de réaliser et de tester un démonstrateur capable de mettre en oeuvre cette mesure et de
transmettre le résultat à un PC. Le démonstrateur sera testé sur une vraie pile en fonctionnement. On veut utiliser un système électronique embarqué pour mesurer l’impédance cellule par cellule, et non seulement de tout le stack de la pile (c’est une différence majeure par rapport aux équipements de pré-qualification).
Le stage comportera les phases suivantes :
a. Compréhension de la problématique et des concepts de base d’une pile à hydrogène ;
b. Conception et routage d’un circuit électronique à coupler à un kit de développement « Nucleo » (microcontrolleur STM32) ; cette tâche prévoit de la saisie de schéma avec un logiciel de C.A.O.
c. Fabrication du PCB (sous-traité à l’extérieur) et câblage des composants (à faire).
d. Programmation du microcontroleur STM32 en C embedded, en déployant (si pertinent) un O.S. temps réel. Une liste non exhaustive des actions que le STM32 devra faire est la suivante : gérer l’activation de la cellule à mesurer ; faire les conversion ADC (analog to digital conversions) ; appliquer les algorithmes pour obtenir l’impédance (algorithmes déjà existants : il faut ‘juste’ les programmer dans le microcontroleur) ; restituer une information vers un PC par exemple par bus UART.
e. Mettre en oeuvre une connectique adaptée au stack de pile à hydrogène que l’on utilisera pour les tests.
f. Faire des tests avec des régimes de fonctionnement différents de la pile, en ajustant les paramètres de l’électronique ou du software pour obtenir des mesures correctes et surtout répétables.

Optimization of Si anodes for solid-state batteries

All-solid-state-batteries (SSBs) are promising alternatives to conventional lithium-ion batteries (LIBs) owing to improved safety by replacing flammable organic electrolyte with solid-state electrolyte (SSE). To date, many of these SSBs have been focused on the use of metallic lithium (Li) as anode due to its high energy density. However, the performances of these SSBs are not yet compatible with applications. By contrast, alloy-based anodes can improve cycle life, especially silicon (Si) which can deliver a very high theoretical capacity up to 3579 mAh g-1. Research and development (R&D) of Si-based SSBs is mainly focusing on Si thin films which deliver a very low areal capacity (0.3 mAh cm-2) compared to that of commercial anodes of LIBs (2-5 mAh cm-2). Therefore, using powder based nanostructured Si as anode is the only viable approach to satisfy the requirement of achieving practical areal capacity. However, only a proof-of-concept is demonstrated so far in the literature for powder based Si anode along with very poor electrochemical performance in SSB configuration.
The goal of this internship is to investigate the compatibility and stability of electrode-electrolyte (SiNW-SSE) interface in SSBs, mainly through electrochemical characterizations. The work will be focused on the fabrication of SSBs containing home-made SiNWs (pristine/composites) anode, commercially developed SSE (LLZO, Li2S–P2S5 and polymer) and possibly LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC) cathode. Suitable synthesis protocol for silicon based materials with desired morphology and surface chemistry will be developed with an intention of identifying appropriate solid-state electrolytes for silicon based SSBs. Good knowledge of written and spoken English is mandatory.

Caractérisation d’un système PEMFC à cathode ouverte dans différentes conditions opératoires et comparaison à un système à cathode fermée

Les applications utilisant un système pile à combustible hydrogène sont aujourd'hui en plein essor. Il existe différentes
technologies de pile présentant chacune des avantages et des inconvénients.
L'objectif de ce stage est de comparer deux systèmes pile à combustible de type PEMFC, l'un à cathode ouverte et refroidissement par air, l'autre à cathode fermée et refroidissement liquide, et de comprendre les limites de chaque technologie ainsi que les phénomènes physiques associés.
Le stage débutera par une étude bibliographique comparative sur les deux solutions. L'étude expérimentale d'au moins une des deux piles dans différentes conditions opératoires sera ensuite menée sur les bancs d'essai du laboratoire et les résultats seront analysés. En parallèle, une étude numérique pourra être menée au moyen de codes existants. Ces simulations seront utilisées afin de participer à la compréhension des phénomènes expérimentaux observés.

Modélisation des transitions de phases se produisant lors de l'insertion du lithium dans les matériaux lamellaires de batterie

Dans le cadre de ses activités dans le domaine de l'énergie, le laboratoire LMP du CEA-LITEN développe une plateforme de simulation multi-physiques et multi-échelle sur les piles à combustible et batteries Li-ion (plateforme MUSES). Cette plateforme de simulation s’appuie sur un large spectre de caractérisations expérimentales, que ce soit pour l’identification des paramètres physiques des modèles aux différentes échelles ou la validation des modèles et simulations sur des données expérimentales.
Dans ce cadre, le laboratoire travaille sur le lien entre la structure cristallographique des matériaux actifs de batterie et leurs propriétés thermodynamiques et cinétiques. En particulier, nous nous intéressons aux transitions de phases se produisant lors de l’insertion du lithium dans les matériaux lamellaires de batterie. Un outil de simulation a été développé dans l’équipe, basé sur un modèle de Cahn-Hilliard multi-couches, qui permet d’étudier la dynamique des transitions de phases en fonction des interactions entre les ions lithium au sein de matériaux lamellaires. Le sujet de stage portera sur le développement de modèles d’énergie libre permettant d’y ajouter les transitions au sein du matériau hôte, l’étude des diagrammes de phase associés et la conséquence sur les propriétés cinétiques du matériau. Les résultats des simulations dynamiques seront comparés à des données cristallographiques obtenues sur le graphite par DRX in situ au Département, ou par DRX operando à l’ESRF.

Développement de petits convertisseurs isolés afin d’alimenter les drivers des composants de puissance des convertisseurs développés

Ce sujet vise à développer de petits convertisseurs isolés afin d’alimenter les drivers des composants de puissance des
convertisseurs développés. Ces briques élémentaires permettront d’augmenter la densité de puissance des convertisseurs de puissance développés au CEA.
Il sera traité en priorité :
• La compacité de la solution
• Les élément parasites
• La puissance
• La tenue en isolement
• Le nombre de sortie possible pour un seul convertisseur

Le stage comportera donc les tâches suivantes :
• Etat de l’art des convertisseurs faibles puissances isolés
• Travail d’architecture sur l’étage driver (Alimentation + commande) afin de définir celle la plus appropriée au besoin de nos convertisseurs (Alimentation multi-sortie distribuée ou alimentation unitaire par driver par exemple)
• Recherche de concept (alimentation régulée, non régulée + post régulation par exemple) dans l’optique de réduire le volume tout en obtenant les performances attendues au niveau isolement
• Simulation du concept retenu
• Réalisation et mise au point du concept retenu

Résultats attendus
• Un ou plusieurs concepts fonctionnels de convertisseurs permettant d’alimenter au plus juste les drivers de nos convertisseurs et donc d’en réduire le volume.
• Ces convertisseurs devront avoir des performances (rendement, isolement, capacité parasite) permettant de les utiliser avec les transistors de dernière génération (GaN, SiC, CoolMos Si).

La solution devra être versatile et donc pouvoir être aussi bien utilisée pour des composants GaN, SiC et Si qui ont des tensions de commande très différentes (6V à 20V). Le stagiaire devra avoir des notions en électronique analogique ainsi que des connaissances de logiciels de simulation électronique (LTspice, Pspice, PSIM ou autres) et de logiciels de routage (KiCad, Altium par exemple).

L'assemblage de batterie Li-ion necessite du collage. L'objet du stage est de caractériser des colles et de les choisir selon l'application visée

Dans un environnement à la pointe de la technologie, vous évoluez au sein de notre Service des Technologies Batteries. Avec ses 3 laboratoires, ce service a pour mission de développer des technologies de batteries et plus particulièrement les procédés de synthèse des matériaux innovants, la conception mécanique, le dimensionnement et la réalisation de composants et de systèmes pour les batteries, supercondensateurs et piles primaires.
Vous avez l’opportunité d’apporter votre contribution aux missions du Laboratoire de Prototypages et Procédés Systèmes : mise en oeuvre des procédés, de la conception des architectures mécaniques, du dimensionnement et de la réalisation de prototypes de systèmes batteries (modules et packs), ainsi que de leur évaluation électrique.
Dans un environnement à la pointe de la technologie, vous évoluez au sein de notre Service des Technologies Batteries. Avec ses 3 laboratoires, ce service a pour mission de développer des technologies de batteries et plus particulièrement les procédés de synthèse des matériaux innovants, la conception mécanique, le dimensionnement et la réalisation de composants et de systèmes pour les batteries, supercondensateurs et piles primaires.
Vous avez l’opportunité d’apporter votre contribution aux missions du Laboratoire de Prototypages et Procédés Systèmes : mise en oeuvre des procédés, de la conception des architectures mécaniques, du dimensionnement et de la réalisation de prototypes de systèmes batteries (modules et packs), ainsi que de leur évaluation électrique.
Missions :
Elaborer un plan de tests
Réaliser les essais (mécaniques, thermiques, physico-chimiques, diemnsionnels)
Rédiger une synthèse de résultats
Exprimer des premières tendances à partir des résultats obtenus

Modélisation des propriétés des membranes anioniques pour les piles à combustible et les électrolyseurs

Ce stage s'inscrit dans l'objectif d'adapter un code (Matlab/Simulink) capable de simuler le fonctionnement d'une pile à combustible ou d'un électrolyseur à membrane échangeuse de proton (PEM), à des dispositifs similaires mais à membranes échangeuses d'anions (électrolyseur alcalin par exemple). Le stage aura 2 phases. Une phase de biblio pour faire l'inventaire des modèles spécifiques à ces dispositifs qui diffèrent de ceux utilisés actuellement dans le code et une phase d'intégration de ces modèles dans le code. Les principaux modèles qu'on s'attend à devoir adapter sont : le transport d'eau dans la membrane, le transport d'anions. Ce stage sera jumelé avec un stage expérimental d'étude des propriétés des membranes anioniques qui fournira des données pour les modèles.

Optimisation de la charge rapide des batteries Li-ion pour application véhicule électrique

Compréhension des paramètres limitant la charge rapide pour l'améliorer.
Pour mener ce travail à bien le stagiaire sera amené à fabriquer des composants unitaires prototypes en salle anhydre et à les tester en utilisant diverses méthodes de caractérisation :
-cyclage galvanostatique
-pics de puissance type à différents régimes de courant
-spectroscopie d'impédance électrochimique
-Analyses post mortem
-Procédés de mise en oeuvre pour accélérer la charge
Il fera également des simulations de performance à l'aide d'un logiciel dédié afin de tester les différents paramètres limitant la charge rapide

Optimisation du procédé d'inertage de batteries Li-ion

L'emballement des batteries Li se traduit par un échauffement, une montée en pression, un dégagement de gaz toxique, voire une combustion explosive. Pour maitriser la sécurité de ce type de batteries, le CEA dispose d’une plateforme d’essais abusifs permettant de les tester en conditions extrêmes. Malgré la sévérité des conditions de tests en surchauffe, surcharge, court-circuits ou agression mécanique, il arrive que l'emballement thermique ne se produise pas. La batterie, toute de même potentiellement endommagée, doit alors être « inertée » avant d’être manipulée. L’objet du stage est de rechercher et d’évaluer de nouveaux procédés permettant de réaliser cet inertage de façon rapide, efficace et automatique. On cherchera aussi à conserver les possibilités d’expertise suite au 1er essai, ainsi qu’à préserver les autres cellules du pack batteries. Ces nouveaux procédés devront être mis en place au laboratoire, mais on privilégiera si possible les solutions utilisables en situation réelle lors d’interventions d’urgence


Etudier et concevoir un banc de test cellules li-Ion low cost.

Missions :
_ Comprendre les problématiques des essais batteries Li-Ion.
_ Etudier le coût de fabrication.
_ Concevoir un banc de tests cellule Li-Ion à base d'éléments low cost (Arduino Rpi…..).
_ réaliser un prototype de banc de test.
_ Enregistrement des données caractéristiques d'un test pour une utilisation R&D.