Academic literature on the topic 'Batterie lithium-ion'

The increased popularity of electric vehicles and e-mobility among the people, have encouraged many automotive companies and research organisations to develop good strategies for drivetrain designs involving batteries. As seen in the department of Alternative Powertrains research is carried out on hybrid fuel cell and electric vehicles. This thesis deals with the development of lithium ion battery model for electric vehicle simulations. A novel approach using black box modelling is developed for development of battery model using only the available battery measurements. Furthermore, a measurement test strategy is formulated providing the process direction and measurement parameters to be considered. Developed battery model provide voltage estimates for given Charge rate,temperature and State of Charge (SOC). The comparison of experimentally obtained and model estimated values. The model developed has a very good accuracy in estimation.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation des batteries souples lithium-ion. Il a comme objectif le développement de nouveaux procédés comme l'impression par sérigraphie pour la fabrication de batteries et le remplacement des polymères issus de la chimie de synthèse par des matériaux bio-sourcés utilisables en milieu aqueux. Les résultats obtenus ont montré qu'il est possible de formuler des encres aqueuses à base des matériaux actifs classiquement utilisés pour l'élaboration d'électrodes (anode et cathode) de batterie Li-ion mais avec des liants dérivés de cellulose en substitution du PVDF qui intègre les formulations standards. Cette encre, dont les propriétés rhéologiques sont compatibles avec le procédé d'impression sérigraphique, permet l'obtention d'électrodes présentant des propriétés spécifiques aux bons fonctionnements de la batterie. Les résultats obtenus ont montré que cette technique d'impression du séparateur pouvait être utilisée pour remplacer la technique de déposition classique des matières actives sur les collecteurs de courant, basée sur un procédé d'enduction à lame (blade coating). Enfin, une batterie lithium-ion imprimée a pu être élaborée en utilisant la stratégie d'impression recto/verso du séparateur avec l'intégration des collecteurs de courant pendant la phase d'impression, validant ainsi cette nouvelle technique d'assemblage<br>The work presented in this manuscript describes the manufacturing of lithium-ion batteries on papers substrates by printing technique. Its aim is the development of new up scalable and large area techniques as screen printing for the fabrication of lithium-ion batteries and the replacement of conventional toxic components by bio-sourced one and water based solvent. First results shows how it is possible to formulate cellulose based ink tailored for screen printing technology with suitable properties for lithium-ion batteries requirements. Electrodes were manufactured and tested from a physical and electrochemical point of view and two strategies were proposed to enhance performances. Finally, by considering results obtained for the electrodes, a full cell was manufactured with a new assembling strategy based on: front / reverse printing approach and the embedding of the current collectors during printing stage. As a final point cells were characterized and compared with others obtained by conventional assembling strategies

L’essor des batteries lithium-ion pour de multiples applications, et notamment pour les véhicules électriques, a accéléré la recherche associée. Afin d’étendre leurs usages, l’amélioration des performances en termes de densité d’énergie, de sécurité et de régime de charge est un enjeu majeur pour la décennie en cours. Pour répondre à ces critères, une meilleure compréhension des mécanismes de dégradation et de leurs conditions d’apparition est nécessaire [1]. De plus, il existe plusieurs « designs » et formats de cellules « batteries », et plusieurs types de sollicitations. Ces différents designs impactent les contraintes locales et donc les modes de vieillissement des matériaux internes. Ainsi, l’objectif de cette thèse était de mieux comprendre l’apparition et le développement des hétérogénéités de dégradation au sein de cellules électrochimiques utilisant les mêmes matériaux mais avec des « designs » différents.Nous avons choisi pour cette thèse de travailler sur des cellules, composées de NMC622 à la positive et de graphite + 10 % SiOx à la négative, assemblées en plusieurs designs et, nous avons étudié leur vieillissement suivant différentes sollicitations. Dans un premier temps, l’étude a porté sur l’impact de la sollicitation sur les mécanismes de dégradation afin d’établir un protocole favorable au vieillissement. Pour cela des cellules de petit format en mono-couche d'électrodes, de 30 mAh, ont été fabriquées et instrumentées avec une électrode de référence qui a permis de suivre l’évolution des potentiels de chacune des électrodes [2]. Un intérêt particulier a été porté à l’étude du potentiel de l'électrode négative et du lithium plating, responsable en grande partie de la perte de lithium cyclable lors des charges rapides. Cette première partie du travail a permis de définir les protocoles de vieillissement adaptés pour l’étude menée sur les cellules multicouches.Des cellules de plus grande capacité, 500 mAh, chimiquement identiques aux précédentes, ont été réalisées au laboratoire selon deux designs différents : stacké et bobiné prismatique. Vieillies selon des protocoles identiques, ces cellules nous ont permis de comparer les deux designs et d’identifier, pour chacun, les causes majeures de dégradation selon les types de cyclage. Les cellules bobinées ont présenté des hétérogénéités de vieillissement plus importantes que les cellules stackées.Enfin, connaissant les principaux effets du vieillissement tels que : l’assèchement local de l’électrolyte, la décohésion de la matière active et l’obstruction des pores du séparateur, ces défauts ont été reproduits artificiellement lors de la fabrication des cellules afin de mieux comprendre leur impact respectif. Nous avons, dans cette troisième partie, cherché à étudier comment une dégradation locale se développait et impactait le vieillissement de la cellule complète. Cette étape du travail a permis d’aider à la compréhension de l’origine de certaines hétérogénéités.En parallèle de ce travail expérimental, une étude de l’état de l’art nous a permis d’identifier des pistes pour l’intégration des hétérogénéités à l’échelle des électrodes au sein de modèles multi-physiques intégrant le vieillissement à l’échelle de la cellule. Ce travail a permis de dégager un certain nombre de perspectives quant à l’amélioration des modèles multi-physiques et la prise en compte des hétérogénéités de contrainte et de vieillissement en fonction du design des cellules.[1] J. S. Edge et al., Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 23, no. 14, pp. 8200–8221, 2021, doi: 10.1039/D1CP00359C.[2] O. Chaouachi, et al., Electrochimica Acta, vol. 366, p. 137428, Jan. 2021, doi: 10.1016/j.electacta.2020.137428<br>The rapid development of lithium-ion batteries for a wide range of applications, particularly electric vehicles, has accelerated the pace of related research. In order to extend their use, improved performance in terms of energy density, safety and charging rate is a major challenge for the current decade. To meet these criteria, a better understanding of degradation mechanisms and their onset conditions is required [1]. In addition, there are several designs and formats of battery cells, and several types of stress. These different designs have an impact on local stresses and therefore on the ageing modes of internal materials. Thus, the aim of this thesis was to better understand the appearance and development of degradation heterogeneities within electrochemical cells using the same materials but with different "designs".For this thesis, we chose to work on cells composed of NMC622 on the positive electrode and graphite + 10 % SiOx on the negative electrode, assembled in several designs, and we studied their ageing under different cycling conditions. Initially, the study focused on the impact of cycling conditions on degradation mechanisms, in order to establish a protocol favorable to ageing. To this end, small-format cells with a single layer of 30 mAh electrodes were manufactured and instrumented with a reference electrode, enabling the evolution of potentials on each electrode to be monitored [2]. Particular attention was paid to studying the potential of the negative electrode and lithium plating, which is largely responsible for the loss of cyclable lithium during fast charging. This first part of the work enabled us to define the ageing protocols suitable for the study carried out on multilayer cells.Cells with a larger capacity, 500 mAh, chemically identical to the previous ones, were produced in the laboratory using two different designs: stacked and prismatic wound. Aged according to identical protocols, these cells enabled us to compare the two designs and identify, for each, the major causes of degradation depending on the type of cycling. Wound cells showed greater ageing heterogeneity than stacked cells.Finally, knowing the main effects of ageing such as: local drying of the electrolyte, decohesion of the active material and clogging of the separator pores, these defects were artificially reproduced during cell manufacturing in order to better understand their respective impact. In this third part, we sought to study how local degradation developed and impacted the ageing of the entire cell. This stage of the work helped to understand the origin of certain heterogeneities.In parallel with this experimental work, a study of the state of the art has enabled us to identify avenues for the integration of electrode-scale heterogeneities within multi-physics models incorporating ageing at the cell scale. This work has opened up a number of prospects for improving multi-physics models and taking account of stress and ageing heterogeneities as a function of cell design.[1] J. S. Edge et al., Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 23, no. 14, pp. 8200–8221, 2021, doi: 10.1039/D1CP00359C.[2] O. Chaouachi, et al., Electrochimica Acta, vol. 366, p. 137428, Jan. 2021, doi: 10.1016/j.electacta.2020.137428

La technologie des batteries lithium-ion est de plus en plus répandue en raison de sa haute densité énergétique et de sa bonne cyclabilité. Aujourd'hui, les véhicules électriques fonctionnent avec des technologies au lithium-ion. Malgré leurs nombreux avantages, il a été prouvé que les batteries lithium-ion sont la cause de nombreux incendies accidentels de voiture. La sécurité des batteries est donc une problématique importante pour continuer à développer des véhicules plus performants et plus durables, mais aussi pour assurer la sécurité des utilisateurs. Selon les conditions d'utilisation, différents mécanismes de vieillissement interne à la cellule peuvent être activés et induire des modifications physico-chimiques des composants internes. Ainsi, le vieillissement d'une cellule a une forte influence sur son comportement en matière de sécurité. Trois références de cellules lithium-ion commerciales de type 18650 sont étudiées et vieillies en utilisant un cyclage représentatif BEV (Battery Electric Vehicle) à différentes températures (-20°C, 0°C, 25°C, 45°C) selon la norme internationale IEC 62-660. Des analyses ante-mortem et post-mortem (analyses électrochimiques des électrodes, MEB, EDX, GD-OES, XRD, GCMS, DSC, FTIR...) sont réalisées sur les composants internes afin d'identifier clairement quel mécanisme de vieillissement se produit en fonction des caractéristiques de la cellule et des conditions de vieillissements. Ensuite, des tests de sécurité sont effectués (ARC, court-circuit et surcharge) pour évaluer le comportement de chaque cellule en matière de sécurité. En comparant le comportement de sécurité des cellules neuves à celui des cellules âgées, il sera possible de comprendre l'impact de chaque mécanisme de vieillissement sur le comportement sécuritaire des cellules<br>Lithium-ion battery technology is more and more widespread due to its high energy density and good cycleability. Today electric vehicles runs with Lithium-ion technologies. Despite Lithium-ion technology has numerous advantages, it has been proved that lithium-ion battery are the cause of many accidental car fires. Thereby battery safety is a key issue to continue to develop more performant and enduring vehicle, but also to ensure the user’s safety. Depending on the condition of use, different aging mechanisms inside the cell could be activated and induce physical and chemical modifications of the internal components. Therefore, aging of a cell has a strong influence on its safety behavior. Three references of commercial 18650-type lithium-ion cells are investigated using BEV (Battery Electric Vehicle) representative aging at various temperatures (-20°C, 0°C, 25°C, 45°C) according to the international standard IEC 62-660. Ante-mortem and post-mortem analyses (half coin cell at the electrode level, SEM, EDX, GD-OES, XRD, GCMS, DSC, FTIR…) are performed on internal components in order to identify clearly, which aging mechanism occurs in accordance to the cell characteristics and the aging conditions. Then safety test are performed (ARC, short-circuit and overcharge) to evaluate the safety behavior of each cell. By comparing safety behavior of fresh cell vs. aged cells, it will be possible to understand the impact of each aging mechanism on cell safety behavior

Ces travaux de recherche ouvrent une nouvelle voie d’élaboration par voie sèche (sans utilisation de solvants organiques) d’électrodes pour batterie lithium-ion. Le procédé consiste en l’extrusion des différents constituants de l’électrode (liant, matière active et agent conducteur) en présence d’un polymère sacrificiel. Une première étude a porté sur le choix de l’agent conducteur et la nature du revêtement du substrat collecteur afin d’optimiser les propriétés électriques de l’électrode. Ensuite, afin d’une part justifier la cohésion des charges malgré un faible taux de liant et d’autre part expliquer certaines pertes de performances notamment en terme de conductivité électrique et ionique, nous avons étudié les interactions charges-polymère et mis en évidence la présence de polymère adsorbé/greffé à la surface des charge, connu sous le terme de « bound rubber ». Dans une dernière étude, nous avons enfin montré qu’il était possible de contrôler le taux de porosité de l’électrode permettant ainsi de formuler sans solvant une électrode répondant totalement au cahier des charges initial. En effet, des électrodes avec un taux de matière active supérieur à 80 %m (taux de charges global supérieur à 80 %vol), un taux de porosité de 40 %, une épaisseur inférieure à 100 μm, électriquement conductrices, et enfin de capacité initiale de 145 mA.h/g ont été réalisées<br>This study aims to find a new way of lithium-ion battery electrodes production using dry process. The production procedure consists on the extrusion of different compounds of the electrode (binder, active material and conductive agent) with a sacrificial polymer. First, a study was established to choose optimal conductive agent and coating material of the collector substrat in order to optimize electrical properties of the electrode. Then the interaction between charges and polymer was studied to justify charges cohesion despite the low amount of the binder and to explain some performances loss mainly in terms of ionic and electrical conductivity. This study revealed the presence of adsorbed / grafted polymer on the surface of charges, known as "bound rubber". Finally, we showed that electrode porosity could be controlled. In addition it was proved that it is possible to perform a dry electrode responding to initial specifications. In fact, electrodes with active material content greater than 80 wt% ( rate of global fillers greater than 80 vol % ), a rate of porosity of 40 vol % , a thickness less than 100 μm, high electrically conductive and finally a specific capacity of 145 mA.h/g were performed

Dans les batteries ion lithium, la présence d’électrolytes organiques volatiles et inflammables engendre des problèmes récurrents de sécurité. Une possible solution consiste à les remplacer par des sels fondus liquides à température ambiante, les liquides ioniques (LI), présentant une tension de vapeur négligeable et sont considérés comme flamme retardant. Leur utilisation avec des électrodes carbone (les plus usitées dans les batteries commerciales) nécessitent la présence d’un additif pour améliorer les performances des batteries.Le but de cette thèse était de déterminer le rôle de cet additif par des méthodes analytiques et de la modélisation. Tout d’abord, l’impact de cet additif sur la solvatation et la diffusion des sels de lithium a été étudié par RMN 2-D [NOE et HOESY {1H-7Li}, {1H-19F}, et la sphère de coordination du cation lithium a été simulée par dynamique moléculaire. Puis des études électrochimiques ont été développées notamment le cyclage galvanostatique à potentiel sélectionné et le cyclage voltamétrique afin de déterminer la capacité de la batterie et d’étudier les étapes d‘insertion du cation lithium au cours de la première étape de réduction. Cette étape a également été analysée par impédance électrochimique. En complément, une analyse par XPS (spectrométrie photoélectronique X) sur les électrodes post-mortem de piles arrêtées aux potentiels déterminés par impédance, a permis de caractériser les composés chimiques formés à la surface des électrodes au cours de la première réduction, mais également après plusieurs cycles de charge/décharge<br>In lithium ion batteries, the commercial organic electrolytes induce difficulties in the manufacturing and the use of the battery (volatile and flammable components). There are active research to eliminate these safety problems, one of the approach is the replacement of conventional battery electrolytes with room temperature ionic liquids (RTILs), which exhibit negligible vapor pressure, low flammability, high flash point. The use of ILs based electrolytes for carbon based electrodes requires presence of organic additive for improving the cyclic performance. The aim of this thesis was to determine the exact role of the organic additive through experimental and computer simulation methodologies. Its impact onto the solvation and transportation of lithium cation was investigated through {1H-7Li}, {1H-19F} NOE correlations (HOESY), and pulsed field gradient spin-echo (PGSE) NMR experiences and Molecular Dynamic simulation. The electrochemical studies were developed such as electrochemical window, galvanostatic cycling with potential limitation and cycling voltammetry showing the obtained capacity of the cell and [Li+] insertion stages during the first reduction step. Moreover, the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) during the first reduction process, and XPS analysis of post mortem Gr electrodes stopped at chosen potential during the first reduction process, as well as, after the several charge/discharge cycles were used

Le travail presente dans ce memoire, realise en collaboration avec atofina, concerne la caracterisation electrochimique d'electrolytes organiques a base d'hexafluorophosphate de lithium pour une application lithium-ion. Il a pour premier objectif de comparer le sel de laboratoire lipf 6 atofina r5 au sel commercialise lipf 6 stella, provenant de la societe japonaise du meme nom. Le sel stella repond aux criteres de purete battery-grade que se sont imposes les fabricants de composants pour batteries : il contient des quantites d'acide fluorhydrique et d'eau inferieures respectivement a 150 et 20 ppm (mg/kg de sel). Il est donc pris comme electrolyte de reference pour notre etude. Ce travail tente egalement d'etablir un lien entre la presence d'impuretes protiques (h 2o, hf) au sein de l'electrolyte et les performances electrochimiques de l'electrode carbonelithium, qui est l'electrode negative de la batterie lithium-ion. Pour ce faire, l'electrolyte battery-grade lipf 6 stella 1m + ec-dmc ((1 :1) en volume) est volontairement contamine par de faibles quantites d'eau, respectivement 100, 500 et 1000 ppm (mg/kg de solvant). L'exploitation pratique des resultats de cette etude consiste a trouver une methodologie applicable dans un contexte industriel, qui permette de valider la qualite battery grade d'un sel. Enfin, cette etude a egalement pour but de mieux comprendre les phenomenes ayant lieu a l'interface carbone | electrolyte. Pour ce faire, la spectroscopie d'impedance electrochimique a ete une technique de choix : elle a permis notamment de modeliser le comportement de l'electrode de carbone au contact de la solution organique lipf 6 1m + ec-dmc par l'intermediaire de circuits electriques equivalents.

La cinétique du vieillissement thermique de deux matériaux d'électrode positive couramment utilisés dans la batterie lithium ion, LiCoO2 de structure hexagonale et LiMn2O4 de structure cubique, a été étudiée dans le domaine de température compris entre 60ºC et 75ºC, par des mesures électrochimiques et par diffraction de rayons X et d'électrons. Deux mécanismes différents sont à l'origine des pertes réversible et irréversible de capacité : 1) ré-insertion du lithium due à l'instabilité de l'électrolyte, pour la réversible et, 2) transformations de phases dues à l'instabilité du matériau d'électrode, pour l'irréversible. Des lois cinétiques empiriques ont permis de déterminer les énergies d‘activation correspondantes. Une comparaison avec le nouveau matériau de structure hexagonale LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 montre des performances améliorées dues à une plus grande stabilité structurale<br>The thermal aging kinetics of two positive electrode materials for lithium ion batteries; hexagonal LiCoO2 and cubic (spinel) LiMn2O4 was carried out in the 60ºC-75ºC temperature range by electrochemical measurements and crystal structure investigations. Two different mechanisms are at the origin of reversible and irreversible capacity losses: 1) lithium re-intercalation due the electrolyte instability for the reversible part and, 2) phase transformations due to the electrode material instability for the irreversible one. Empirical kinetics laws allowed the corresponding activation energy to be determined. A comparison with a new material with hexagonal structure LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 showed enhanced performances due to a higher structural stability

Lithium ion batteries (LIBs) have attracted considerable interest due to their wide range of applications, such as portable electronics, electric vehicles (EVs) and aerospace applications. Particularly, the emergence of a variety of nanostructured materials has driven the development of LIBs towards the next generation, which is featured with high specific energy and large power density. Herein, rolled-up nanotechnology is introduced for the design of strain-released materials as anodes of LIBs. Upon this approach, self-rolled nanostructures can be elegantly combined with different functional materials and form a tubular shape by relaxing the intrinsic strain, thus allowing for enhanced tolerance towards stress cracking. In addition, the hollow tube center efficiently facilitates electrolyte mass flow and accommodates volume variation during cycling. In this context, such structures are promising candidates for electrode materials of LIBs to potentially address their intrinsic issues. This work focuses on the development of superior structures of Si and SnO2 for LIBs based on the rolled-up nanotech. Specifically, Si is the most promising substitute for graphite anodes due to its abundance and high theoretical gravimetric capacity. Combined with the C material, a Si/C self-wound nanomembrane structure is firstly realized. Benefiting from a strain-released tubular shape, the bilayer self-rolled structures exhibit an enhanced electrochemical behavior over commercial Si microparticles. Remarkably, this behavior is further improved by introducing a double-sided carbon coating to form a C/Si/C self-rolled structure. With SnO2 as active material, an intriguing sandwich-stacked structure is studied. Furthermore, this novel structure, with a minimized strain energy due to strain release, exposes more active sites for the electrochemical reactions, and also provides additional channels for fast ion diffusion and electron transport. The electrochemical characterization and morphology evolution reveal the excellent cycling performance and stability of such structures.