Dissertations / Theses: 'Batterie lithium-ion'

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Beechu, Srikar Geethaprabhu. "Development of Lithium Ion Battery Dynamic Model." Master's thesis, Universitätsbibliothek Chemnitz, 2016. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-208838.

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Abstract:

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.

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El, Baradai Oussama. "Elaboration of flexible lithium - ion electrodes by printing process." Thesis, Grenoble, 2014. http://www.theses.fr/2014GRENI036/document.

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Abstract:

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 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

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Bichon, Alexia. "Etude et détection operando, à l'aide d'une électrode de référence, des hétérogénéités de vieillissement liées au design des cellules lithium-ion." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2024. http://www.theses.fr/2024GRALY009.

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Abstract:

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 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

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Kuntz, Pierre. "Evolution du comportement sécuritaire de batterie lithium-ion pendant leur vieillissement." Thesis, Université Grenoble Alpes, 2020. http://www.theses.fr/2020GRALI069.

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Abstract:

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 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

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Belaid, Sofiane. "Formulation et procédé d'élaboration sans solvant d'électrodes de batteries Lithium-ion." Thesis, Lyon 1, 2014. http://www.theses.fr/2014LYO10038.

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Abstract:

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 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

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Bolimowska, Ewelina. "Étude des interfaces électrodes/électrolyte à base de liquides ioniques pour batterie lithium-ion." Thesis, Lyon, 2016. http://www.theses.fr/2016LYSE1104.

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Abstract:

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 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

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Martinent-Beaumont, Audrey. "Etude physico-chimique des électrolytes d’hexafluorophosphate de lithium pour une application dans la batterie lithium-ion." Grenoble INPG, 2001. http://www.theses.fr/2001INPG0075.

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Abstract:

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.

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Bichat, Marie-Pierre. "Nouveaux phosphures de métaux de transition, matériaux d'anode pour batterie lithium-ion." Montpellier 2, 2005. http://www.theses.fr/2005MON20189.

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Ozawa, Yasunori. "Etude du vieillissement des matériaux d'électrode positive pour la batterie lithium ion." Grenoble INPG, 2005. http://www.theses.fr/2005INPG0148.

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Abstract:

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 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

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Deng, Junwen. "Strain engineered nanomembranes as anodes for lithium ion batteries." Doctoral thesis, Universitätsbibliothek Chemnitz, 2015. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-159972.

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Abstract:

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.

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Coppey, Nicolas. "Nanotubes de carbone décorés par CVD en lit fluidisé : application en batterie lithium-ion." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2013. http://oatao.univ-toulouse.fr/10278/1/coppey.pdf.

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Abstract:

La technologie lithium-ion est largement utilisée pour le stockage de l’énergie électrique. Le graphite, fréquemment utilisé comme matériau d’anode, peut être avantageusement remplacé par des nanomatériaux hybrides, alliant la forte densité d’énergie du silicium aux nanotubes de carbone qui possèdent des propriétés électriques et mécaniques remarquables. Le procédé de Dépôt Chimique à partir d’une phase Vapeur (CVD) en lit fluidisé est particulièrement performant pour revêtir de façon uniforme des poudres, y compris des micro- et nano-poudres, par des matériaux divers. Des expériences de dépôt de silicium par CVD en lit fluidisé à partir de silane SiH4 ont été menées sur des nanotubes de carbone multiparois enchevêtrés en pelotes de 450 µm de diamètre médian (ARKEMA Graphistrength C100), couvrant la gamme de 10 à 70 % en masse de silicium déposé. Le silicium est déposé uniformément du bord jusqu’au cœur des pelotes, sous forme de nanoparticules réparties régulièrement sur les nanotubes, et dont la taille augmente avec la durée du dépôt. L’étude du comportement hydrodynamique du lit fluidisé révèle que les nanotubes de carbone fluidisent de façon homogène et avec une forte expansion, pour des vitesse de gaz modérées. Ainsi, les transferts de matière entre la phase solide et la phase gaz durant la fluidisation sont très élevés. Enfin, la capacité de cyclage charge-décharge des électrodes nanotubes de carbone - nanoparticules de silicium a été vérifiée en demi-pile au lithium.

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Maouacine, Koceila. "Matériaux hybrides poreux silice/polymère comme électrolytes pour batterie lithium-ion tout solide." Electronic Thesis or Diss., Aix-Marseille, 2023. http://www.theses.fr/2023AIXM0024.

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Abstract:

La conception de batteries lithium-ion utilisant un électrolyte solide est actuellement l’une des voies les plus étudiées pour s’affranchir des problèmes de sécurité lié à ces dispositifs. Dans ces travaux de thèse, nous proposons une nouvelle approche d'élaboration d'un électrolyte hybride poreux silice/polymère, contenant une fraction massique plus élevée de silice mésoporeuse que de polymère. Deux morphologies de matériaux hybrides de silice ont été étudiées : sous forme de poudres compressées (pastilles) et sous forme de films minces. Dans la première partie du travail, une poudre de silice hybride a été synthétisée puis calcinée pour libérer la porosité. La silice mésoporeuse a, ensuite, été fonctionnalisée par imprégnation en solution avec différents polymères de type PEG de faible poids moléculaire puis, par un sel de lithium, le LiTFSI. Les poudres hybrides ont été compressées sous forme de pastilles, présentant une porosité inter- et intraparticulaire. Il a été montré que, les pastilles hybrides présentent des propriétés de conductivité ionique prometteuse lorsque les porosités inter et intraparticulaires sont remplies par le complexe PEG-LiTFSI pour PEG de faible masse molaire (300-600 g/mol). Dans la seconde partie, des films de silice mésoporeuse ont été déposés sur une électrode de carbone vitreux en utilisant une électrode à disque rotatif (RDE). Après avoir caractérisé ces films du point des propriétés texturales et de la microstructure, ces derniers ont été fonctionnalisés par le complexe PEG-LiTFSI via un procédé d’imprégnation et l’étude préliminaire de leur conductivité ionique a été réalisée The design of lithium-ion batteries using a solid electrolyte is currently one of the most studied ways to overcome safety problem of these devices. In this thesis work, we propose a new approach to develop a porous silica/polymer hybrid electrolyte, containing a higher weight fraction of mesoporous silica than polymer. Two morphologies of silica hybrid materials were studied: as compressed powders (pellets) and as thin films. In the first part of the work, a hybrid silica powder was synthesized and then calcined to liberate the porosity. The mesoporous silica was then functionalized with different polymers of PEG of low molecular weight then by a simple solution impregnation. The hybrid powders were shaped as pellets, presenting inter- and intra-particle porosity. It was shown that the hybrid pellets present promising ionic conductivity properties when the inter- and intraparticle porosities are filled with the PEG-LiTFSI complex for PEG of low molar mass (300-600 g/mol). In the second part, mesoporous silica films were deposited on a glassy carbon electrode using a rotating disc electrode (RDE). After the characterization of these films from a textural properties and a microstructure point of view, they were functionalized by the PEG-LiTFSI complex via an impregnation process and the preliminary study of their ionic conductivity was performed

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Marino, Cyril. "Optimisation de nouvelles électrodes négatives énergétiques pour batteries lithium-ion : caractérisation des interfaces électrode/électrolyte." Thesis, Montpellier 2, 2012. http://www.theses.fr/2012MON20175/document.

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Abstract:

Ce mémoire est consacré à l'étude de deux matériaux d'électrodes négatives pour batteries Li-ion : NiSb2 et TiSnSb. Ces matériaux de conversion possèdent des capacités presque deux fois supérieures à celle du graphite, actuellement utilisé, mais ils souffrent i) d'une faible cyclabilité causée par les variations volumiques caractéristiques de ce type d'électrode et ii) d'une grande perte de lithium irréversible lors de la 1ère insertion due à la réactivité de surface avec l'électrolyte. Les mécanismes réactionnels avec le lithium ont été étudiés en profondeur par diffraction des rayons X, spectrométrie Mössbauer (119Sn et 121Sb). Les études in situ et ex situ en spectroscopie d'absorption X ont permis d'identifier la formation de nanoparticules de métal de transition très réactives et dont l'instabilité est probablement à l'origine des phénomènes de relaxation observés dans l'électrode à l'état déchargé. L'amélioration des performances a été réalisée grâce à l'élaboration d'électrodes composites contenant des fibres de carbone et de la CMC. Cette formulation d'électrodes permet d'atteindre une cyclabilité de 250 cycles pour TiSnSb à régimes variables entre 4C et C. L'ajout de FEC dans l'électrolyte apparait également comme une solution pour augmenter la durée de vie des électrodes.L'interface électrode/électrolyte a été analysée par Résonance Magnétique Nucléaire, Spectroscopie Photoéletronique à rayonnement X et spectroscopie infrarouge. Li2CO3 est l'espèce majoritairement formée lors de la réduction de l'électrolyte en 1ère décharge (lié à la création de nouvelles surfaces lors de la réaction et à expansion volumique). Lors de la charge, une restructuration (ou fragmentation) de la SEI (couche de passivation) est probable à cause de la contraction de l'électrode. L'épaisseur de la couche de SEI à l'interface continue de croitre après 15 cycles The thesis is devoted to the study of two negative electrode materials for Li-ion batteries: NiSb2 and TiSnSb. These conversion type materials have high capacities greater than graphite electrode used in current devices. However, these compounds suffer from i) a low cyclability caused by volumetric variations which are characteristic of this type of electrode, and ii) a loss of lithium (irreversible process) during the 1st insertion due to the reduction of the liquid electrolyte on the surface of active material.The mechanisms have been studied by X-Ray Diffraction, Mössbauer Spectroscopy (119Sn and 121Sb). The in situ and ex situ X-ray Absorption Spectroscopy analysis have allowed identifying both the formation of highly reactive Ti and Ni nanoparticles and a relaxation effect in the discharged electrode at 0V. The improvement of performances is based on the composite electrodes formulation using carbon fibers as conductive additive and Carboxymethyl cellulose CMC as binder. A cyclability of 250 cycles at C and 4C rate is reached for TiSnSb electrodes. The addition of Fluoro Ethylene Carbonate (FEC) in the electrolyte is another way to increase the life span of electrodes.The electrode/electrolyte interface has been analyzed by Nuclear Magnetic Resonance, X-ray Photoelectron Spectroscopy and Infrared Spectroscopy. During the discharge, among the species produced from the reduction of electrolyte Li2CO3 is in the majority because new surfaces are created (volumetric expansion). On charge, a fragmentation of the Solid Electrolyte Interphase (SEI) deposited on the surface of the active material grains is observed. Moreover, first XPS investigations have shown that the SEI thickness continuously increases on cycling

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Quesnel, François. "Synthèse de titanates de lithium nanostructurés par plasma inductif pour les batteries lithium-ion." Mémoire, Université de Sherbrooke, 2016. http://hdl.handle.net/11143/8997.

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Abstract:

Le marché des accumulateurs lithium-ion est en expansion. Cette croissance repose partiellement sur la multiplication des niches d’utilisation et l’amélioration constante de leurs performances. En raison de leur durabilité exceptionnelle, de leur faible coût, de leur haute densité de puissance et de leur fiabilité, les anodes basées sur les titanates de lithium, et plus particulièrement le spinelle Li4Ti5O12, présentent une alternative d’intérêt aux matériaux classiques d’anodes en carbone pour de multiples applications. Leur utilisation sous forme de nanomatériaux permet d’augmenter significativement la puissance disponible par unité de poids. Ces nanomatériaux ne sont typiquement pas contraints dans une direction particulière (nanofils, nanoplaquettes), car ces formes impliquent une tension de surface plus importante et requièrent donc généralement un mécanisme de synthèse dédié. Or, ces nanostructures permettent des réductions supplémentaires dans les dimensions caractéristiques de diffusion et de conduction, maximisant ainsi la puissance disponible, tout en affectant les propriétés habituellement intrinsèques des matériaux. Par ailleurs, les réacteurs continus reposant sur la technologie du plasma thermique inductif constituent une voie de synthèse démontrée afin de générer des volumes importants de matériaux nanostructurés. Il s’avère donc pertinent d’évaluer leur potentiel dans la production de titanates de lithium nanostructurés. La pureté des titanates de lithium est difficile à jauger. Les techniques de quantification habituelles reposent sur la fluorescence ou la diffraction en rayons X, auxquelles le lithium élémentaire se prête peu ou pas. Afin de quantifier les nombreuses phases (Li4Ti5O12, Li2Ti3O7, Li2TiO3, TiO2, Li2CO3) identifiées dans les échantillons produits par plasma, un raffinement de Rietveld fut développé et validé. La présence de γ-Li2TiO3 fut identifiée, et la calorimétrie en balayage différentiel fut explorée comme outil permettant d’identifier et de quantifier la présence de β-Li2TiO3. Différentes proportions entre les phases produites et différents types de morphologies furent observés en fonction des conditions d’opération du plasma. Ainsi, des conditions de trempe réductrice et d’ensemencement en Li4Ti5O12 nanométrique semblent favoriser l’émergence de nanomorphologies en nanofils (associés à Li4Ti5O12) et en nanoplaquette (associées à Li2TiO3). De plus, l’ensemencement et les recuits augmentèrent significativement le rendement en la phase spinelle Li4Ti5O12 recherchée. Les recuits sur les poudres synthétisées par plasma indiquèrent que la décomposition du Li2Ti3O7 produit du Li4Ti5O12, du Li2TiO3 et du TiO2 (rutile). Afin d’approfondir l’investigation de ces réactions de décomposition, les paramètres cristallins du Li2Ti3O7 et du γ-Li2TiO3 furent définis à haute température. Des mesures continues en diffraction en rayon X à haute température furent réalisées lors de recuits de poudres synthétisées par plasma, ainsi que sur des mélanges de TiO2 anatase et de Li2CO3. Celles-ci indiquent la production d’un intermédiaire Li2Ti3O7 à partir de l’anatase et du carbonate, sa décomposition en Li4Ti5O12 et TiO2 (rutile) sur toute la plage de température étudiée, et en Li2TiO3 et TiO2 (rutile) à des températures inférieures à 700°C.

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Leveau, Lucie. "Etude de nanofils de silicium comme matériau d'électrode négative de batterie lithium-ion." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2015. https://theses.hal.science/tel-01234963v2/document.

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Blondel, Pierre. "Estimation de l’état interne d’une batterie lithium-ion à l’aide d’un modèle électrochimique." Thesis, Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0008/document.

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Abstract:

En 30 ans, les batteries Li-ion ont littéralement colonisé notre environnement depuis et leur déploiement s’accélère. Puissante, efficace, légère et compacte, cette technologie présente des problèmes de sécurité. C’est pourquoi la plupart de ces batteries sont équipées de systèmes de gestion. Ils nécessitent l’accès à certains états internes qui ne sont pas tous mesurables. Cette thèse se propose d’estimer les variables en question à l’aide d’observateurs non-linéaires. Un observateur permet d’estimer des états inaccessibles à la mesure, à partir des mesures disponibles et d’un modèle mathématique des dynamiques mises en jeu. Les transports électrochimiques à l’œuvre dans les batteries sont responsables de leur comportement. Nous en proposons un modèle électrochimique adapté à l’observation. Celui-ci repose sur la discrétisation spatiale des équations aux dérivées partielles décrivant ces phénomènes et sur une série d’hypothèses. Présenté comme un système sous forme de représentation d’état, les dynamiques sont affines et l’équation de sortie est non-linéaire. Parmi les observateurs de systèmes à sortie non-linéaire dont nous avons connaissance, aucun ne peut s’appliquer directement au modèle proposé. Nous en avons donc développé de nouveaux dont la stabilité est garantie lorsqu’une inégalité matricielle est satisfaite. Nous avons ensuite confronté ces observateurs à des données expérimentales d’éléments commercialisés. Le comportement de l’observateur est encourageant et semble être un bon compromis entre sens physique et complexité numérique Developed in the nineties, lithium batteries have colonized our environment in less than thirty years and they keep spreading faster and faster. Powerful, efficient, light and compact, this technology remains hazardous. In order to limit the danger and slow the aging of lithium cells, most of such batteries embed a management system. The latter needs to access some internal states, which are not directly measurable. This thesis intends to estimate these variables using a nonlinear observer, which is based on an electrochemical model. The behavior of the battery is driven by the transportation phenomenon of its main electrochemical species. We therefore built a finite dimensional electrochemical model of these adapted to estimation. It relies on the spatial discretization of the partial differential equations, which describe these transportation phenomena. It also formulates some assumptions, such as the fact that an electrode globally behaves like a single particle of its active material. The obtained state space model has affine dynamics and a nonlinear output. Among the existing observers for such systems that we are aware of, none can be applied directly to the developed model. Hence, we developed new ones whose stability is guaranteed provided a linear matrix inequality holds, which is used to construct the observation gain. We then confront these observers to experimental data acquired on commercialized batteries. The obtained results are encouraging and the observer seems to be a fair compromise between physical meaning and numerical complexity

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Blondel, Pierre. "Estimation de l’état interne d’une batterie lithium-ion à l’aide d’un modèle électrochimique." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2019. http://www.theses.fr/2019LORR0008.

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Abstract:

En 30 ans, les batteries Li-ion ont littéralement colonisé notre environnement depuis et leur déploiement s’accélère. Puissante, efficace, légère et compacte, cette technologie présente des problèmes de sécurité. C’est pourquoi la plupart de ces batteries sont équipées de systèmes de gestion. Ils nécessitent l’accès à certains états internes qui ne sont pas tous mesurables. Cette thèse se propose d’estimer les variables en question à l’aide d’observateurs non-linéaires. Un observateur permet d’estimer des états inaccessibles à la mesure, à partir des mesures disponibles et d’un modèle mathématique des dynamiques mises en jeu. Les transports électrochimiques à l’œuvre dans les batteries sont responsables de leur comportement. Nous en proposons un modèle électrochimique adapté à l’observation. Celui-ci repose sur la discrétisation spatiale des équations aux dérivées partielles décrivant ces phénomènes et sur une série d’hypothèses. Présenté comme un système sous forme de représentation d’état, les dynamiques sont affines et l’équation de sortie est non-linéaire. Parmi les observateurs de systèmes à sortie non-linéaire dont nous avons connaissance, aucun ne peut s’appliquer directement au modèle proposé. Nous en avons donc développé de nouveaux dont la stabilité est garantie lorsqu’une inégalité matricielle est satisfaite. Nous avons ensuite confronté ces observateurs à des données expérimentales d’éléments commercialisés. Le comportement de l’observateur est encourageant et semble être un bon compromis entre sens physique et complexité numérique Developed in the nineties, lithium batteries have colonized our environment in less than thirty years and they keep spreading faster and faster. Powerful, efficient, light and compact, this technology remains hazardous. In order to limit the danger and slow the aging of lithium cells, most of such batteries embed a management system. The latter needs to access some internal states, which are not directly measurable. This thesis intends to estimate these variables using a nonlinear observer, which is based on an electrochemical model. The behavior of the battery is driven by the transportation phenomenon of its main electrochemical species. We therefore built a finite dimensional electrochemical model of these adapted to estimation. It relies on the spatial discretization of the partial differential equations, which describe these transportation phenomena. It also formulates some assumptions, such as the fact that an electrode globally behaves like a single particle of its active material. The obtained state space model has affine dynamics and a nonlinear output. Among the existing observers for such systems that we are aware of, none can be applied directly to the developed model. Hence, we developed new ones whose stability is guaranteed provided a linear matrix inequality holds, which is used to construct the observation gain. We then confront these observers to experimental data acquired on commercialized batteries. The obtained results are encouraging and the observer seems to be a fair compromise between physical meaning and numerical complexity

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Noh, Mohd Hilmi. "Charge rapide de batteries lithium-ion basée sur la compensation de chute-ohmique." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAI076/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse est l’étude de la charge rapide de batteries lithium-ion basée sur la méthode de la compensation chute ohmique. Cette méthode permet théoriquement de réduire le temps total de charge des batteries. Dans cette thèse, cette méthode a été mise en œuvre sur trois types différents de cellules de format 18650 : C/ FP, C/NMC et LTO/LFP. Cette méthode montre de bons résultats pour les batteries C/LFP et LTO/LFP avec une réduction du temps de charge total d'environ 70% par rapport à la méthode classique. Néanmoins, cette méthode présente des inconvénients comme notamment l’élévation de la température interne de la batterie pendant la charge rapide. De plus, cette méthode implique un courant élevé et conduit à des potentiels élevés qui peuvent engendrer également des dégradations. En particulier, nous avons démontré que la batterie C / LFP subissait des dégradations internes notamment une déformation mécanique de l’enroulement et une dégradation de la composition d’électrolyte The aim of this thesis is to study fast-charging of lithium-ion, battery using the ohmic-drop compensation method. The latter method theoretically will reduce the total charging of the batteries considered. In this thesis, the ODC method was implemented on three different types of 18650 battery cells. These batteries are C/LFP, C/NMC and LTO/LFP. This method show a good result for C/LFP and LTO/LFP batteries with a reduction of total charging time of about 70% in comparison with the classical method. Nevertheless, there are some issues regarding this method; the temperature elevation of the battery is high during fast-charging. Indeed, almost all fast-charging procedure experiences the same problem concerning that matter. Moreover, with ODC fast-charging method, high current rate and high voltage will worsen the situation. These complications of the ODC fast-charging method are key points for both performance and durability of the batteries. Particularly, we have demonstrated that C/LFP battery underwent internal degradation as a mechanical deformation of the active materials and degradation of electrolyte

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Lepoivre, Florent. "Study and improvement of non-aqueous Lithium-Air batteries via the development of a silicon-based anode." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066326.

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Abstract:

Face aux défis du XXIème siècle concernant l'approvisionnement mondial en énergie et le réchauffement climatique, il est capital de développer des systèmes de stockage d'énergie efficaces et compétitifs. Parmi eux, la technologie Lithium-Air fait l'objet de nombreuses recherches car elle présente une densité d'énergie théorique dix fois supérieure à celle des batteries Li-ion actuellement utilisées, mais la complexité des réactions chimiques mises en jeu la cantonne au stade de la recherche. Afin d'étudier de manière fiable et reproductible les batteries Li-Air, une nouvelle cellule de test électrochimique intégrant un capteur de pression a été développée. Elle permet d'estimer la quantité de réactions parasites associées à une configuration de batterie lors du cyclage à court et long terme (> 1000 h). Une étude comparative des différents électrolytes les plus utilisés a été réalisée, révélant la différence de comportement entre ces différentes espèces ainsi que l'instabilité de l'anode composée de lithium métallique. Nous avons donc abordé le remplacement de l'anode de lithium par une électrode de silicium pré-lithié. En étudiant l'influence de différentes techniques de pré-lithiation sur des électrodes contenant des particules de Si oxydées en surface, un phénomène de réduction de SiO2 en Si a été mis en évidence, apportant ainsi un gain substantiel en capacité. Les électrodes " activées " ont ensuite été utilisées en tant qu'anode dans les cellules complètes LixSi-O2. Après optimisation, la durée de vie obtenue est supérieure à 400 h (> 30 cycles), ce qui est comparable à la littérature actuelle mais toutefois limité par la présence de réactions parasites Supplying the world energy demand while reducing the greenhouse gases emissions is one of the biggest challenges of the 21st century; this requires the development of efficient energy storage devices enabling the utilization of renewable energies. Among them, Lithium-Air batteries are very attractive due to their high theoretical energy density – 10 times that of the current Li-ion batteries – but their development is hindered by the complexity of the chemistry at play. In order to understand such chemistry, we designed a new electrochemical test cell that integrates a pressure sensor, thereby enabling an accurate in operando monitoring of the pressure changes during charge/discharge with high reproducibility and sensitivity. Its use is demonstrated by quantifying the parasitic reactions in Li-O2 cells for various electrolytes frequently encountered in the literature. Through this comparative study, we are able to observe the phenomena currently limiting the performances of Li-O2 batteries after a long cycling (> 1000 h), such as parasitic reactions and the instability of the Li anode. To address the later issue, Li was replaced by a prelithiated silicon electrode made of Si particles oxidized in surface. We demonstrated the feasibility of enhancing both their capacity and cycle life via a pre-formatting treatment that triggers the reduction of their SiO2 coating by liberating pure Si metal. The full LixSi-O2 cells using such treated electrodes exhibit performances competing with the best analogous systems reported in the literature (> 30 cycles; more than 400 h of cycling), but the development of practical prototypes still requires to improve the cycle-life

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Dridi, Zrelli Yosra. "Électrochimie et spectroscopie Raman de matériaux d’électrode positive pour batteries Li-ion." Thesis, Paris Est, 2012. http://www.theses.fr/2012PEST1126/document.

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Abstract:

Dans ce travail de thèse, la microspectrométrie Raman a été mise à profit pour décrire les changements structuraux induits par la réaction électrochimique d'insertion/désinsertion des ions lithium dans des composés de structure lamellaire LiCoO2 et cubique LiMn2O4 et LiNi0.4Mn1.6O4, utilisés comme électrodes positives dans les batteries Li-ion. L'étude du composé d'électrode LiCoO2 pendant le processus de charge permet de mettre en évidence une région biphasée où la phase initiale coexiste avec une nouvelle phase hexagonale caractérisée par une expansion du paramètre inter-feuillets de l'ordre de 3% et un affaiblissement de la liaison Co-O dans le plan des feuillets. Dans le cas de LiMn2O4, une nouvelle attribution du spectre Raman a pu être proposée. Pendant la charge à 4V, un mécanisme à trois phases (phase initiale LiMn2O4, phase intermédiaire, phase pauvre en lithium) est décrit par spectroscopie Raman alors que la diffraction des RX ne permet pas d'observer la phase intermédiaire dans nos conditions de mesure. L'étude de l'insertion électrochimique du lithium dans LiMn2O4 (région 3V), a permis de montrer pour la première fois par spectroscopie Raman la formation progressive d'une phase tétragonale de composition Li2Mn2O4 qui coexiste avec la phase cubique initiale et qui est pure en fin de décharge. La réversibilité de cette transition structurale a également été démontrée. Dans le cas du composé substitué au nickel, LiNi0.4Mn1.6O4, une attribution complète du spectre Raman est proposée pour la première fois. L'étude par diffraction des RX du matériau en fonction de l'état de charge et de décharge met en évidence une conservation de la structure cubique avec des variations modérées de paramètres de maille. Le spectre Raman présente quant à lui des variations très significatives qui rendent compte de la présence dans des proportions différentes des espèces redox impliquées dans le fonctionnement électrochimique (Mn4+, Mn3+, Ni2+, Ni3+, Ni4+). Une analyse spectrale par décompositions de bandes permet d'identifier et de quantifier les proportions relatives des différents couples redox du nickel. Une réversibilité complète de la signature Raman est observée en décharge. Une application concrète et originale de la spectroscopie Raman a consisté à étudier le mécanisme d'autodécharge qui est observé pour le matériau LiNi0.4Mn1.6O4 complètement chargé. L'évolution des spectres Raman permet de mettre en évidence une réduction rapide et quantitative des ions Ni4+ pendant les premières heures de séjour dans l'électrolyte, puis un processus plus lent de réduction des ions Ni3+. Enfin, pour la première fois également, l'insertion du lithium dans le composé LiNi0.4Mn1.6O4 a été explorée par microspectrométrie Raman et a permis notamment d'identifier l'empreinte Raman de la phase la plus réduite de symétrie tétragonale Li2Ni0.4Mn1.6O4. L'originalité de ce travail a été d'apporter un grand nombre de données Raman expérimentales sur des matériaux d'électrode performants fonctionnant à 4V. De nouvelles attributions ont pu être proposées pour les composés initiaux, et des données vibrationnelles inédites ont été fournies sur les composés formés en charge et en décharge. Dans certains cas, ces données ont permis, sur la base d'une analyse détaillée des spectres Raman par décompositions de bandes, de proposer un raisonnement quantitatif sur l'existence de phases ou d'espèces redox en mélange. Il conviendrait bien sûr de corroborer ces nouvelles données et attributions par des calculs théoriques ab initio capables de simuler les fréquences et les intensités des modes vibrationnels dans les structures hôtes et lithiées In this work, we show the relevance of Raman spectroscopy as a useful technique to investigate the local changes induced by the electrochemical reaction of intercalation/deintercalation of lithium in positive electrode materials for rechargeable lithium ion batteries.Raman investigations concern three types of high voltage cathode materials (4-5Volts) which are layered LiCoO2 and cubic LiMn2O4 and LiNi0.4Mn1.6O4.During electrochemical deintercalation of LiCoO2, we show the existence of a two phase region where the initial hexagonal phase coexist with a second hexagonal phase with a 3% expansion of the lattice parameter indicating a weakening of the Co-O bond in the Li1-xCoO2 material.On the other hand, a new assignment of LiMn2O4 Raman spectrum was proposed. During the charge in the 4V region, a three region phase (initial LiMn2O4 phase, intermediary phase and poor lithium phase) was described using Raman spectroscopy. RX measurements can not detect this intermediary phase. Lithiated phase Raman signature shows a specific local order: Fd3m for extreme phases and F43m for partially lithiated phase. A rich Raman band spectrum is attributed to this later phase in coherence with literature calculations. Structural changes reversibility is demonstrated. Identification of this intermediary phase as a major component of a cycled electrode, underline the incomplete reduction and explain the important loss of capacity observed during cycling. Raman study of LiMn2O4 electrochemical insertion in the 3V region, has demonstrated for the first time a progressive formation of tetragonal Li2Mn2O4 phase, which is in coexistence with initial cubic phase and is pure at the end of discharge. Structural transition reversibility was also demonstrated.In the case of LiNi0.4Mn1.6O4, the assignment of the Raman spectrum of LiNi0.4Mn1.6O4 is provided for the first time. DRX study in function of the state of charge and discharge, exhibit cubic structure conservation with moderate lattice parameters variations. The Raman spectrum of the spinel oxide exhibits drastic spectral changes during Li extraction. These changes have been directly related to the Mn and Ni oxidation states in the cathode material under operation. It comes out that electrochemical reactions of LiNi0.4Mn1.6O4 are reversible and based on three redox couples of Mn3+/Mn4+, Ni2+/Ni3+, and Ni3+/Ni4+. An original and concrete Raman spectroscopy application is the study of self discharge mechanism of completely charged LiNi0.4Mn1.6O4. Raman spectra evolution exhibits a quantitative Ni4+ reduction during the first hours, and then a slower Ni3+ reduction process. Finally, LiNi0.4Mn1.6O4 lithium insertion has been explored for the first time using Raman spectroscopy, and a tetragonal Li2Ni0.4Mn1.6O4 phase has been identified.The originality of this work is the important number of experimental Raman data of 4V electrode materials. New assignment of initial compound has been proposed and original vibrationnal data of compound during charge/discharge has been presented. These Raman data has permitted to propose a quantitative explanation which must be completed with ab initio calculations to simulate vibrationnal modes frequencies/ intensities

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Allart, David. "Gestion et modélisation électrothermique des batteries lithium-ion." Thesis, Normandie, 2017. http://www.theses.fr/2017NORMC261/document.

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Abstract:

Ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation électrothermique des batteries Lithium-ion de grande puissance, appliquée pour les véhicules électriques et pour le stockage d’énergie intégré au réseau. Une approche plus particulière est donnée sur la modélisation thermique de la batterie et de ses connectiques dans le but d’anticiper les comportements thermiques sous des sollicitations dynamiques de courant. De nombreuses investigations ont été réalisées dans le but de déterminer les différents paramètres électriques et thermiques de l’accumulateur, nous avons également cherché à comparer plusieurs méthodes de caractérisation différentes.La première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation et à la modélisation électrique.La seconde partie présente la caractérisation thermique et le modèle thermique de la batterie. Nous proposons une approche couplée de différents modèles thermiques, dans le but de prédire les comportements thermiques au niveau de la surface et du cœur de la cellule, mais également au niveau des connectiques et des câbles.Enfin, la dernière partie présente la modélisation électrothermique d’un module assemblé de trois cellules en séries. Les résultats de simulations ont été validés sur des régimes à courant constant, ainsi que sur des régimes de courant dynamique.Le travail accompagne l’intégration des modèles thermiques dans une plateforme de simulation de systèmes énergétique et ouvre des pistes vers des outils d’aide à la conception de packs de batteries, sur l’aide au dimensionnement de systèmes de refroidissement et sur le développement d’outil de diagnostic thermique des batteries This thesis work focuses on the electrothermal modeling of high-power Lithium-ion batteries, applied for electric vehicles and the energy storage connected to the the grid. A particular approach is given on the thermal modeling of the battery and its connectors in order to anticipate the thermal behaviors under dynamic charge and discharge current, which is very useful for the thermal management systems of the batteries. Numerous investigations have been carried out in order to determine the different electrical and thermal parameters of the accumulator, we have also tried to compare several different methods.The first part of the manuscript is dedicated to characterization and electrical modeling.The second part presents the thermal characterization and the thermal model of the battery. We propose a coupled approach of different thermal models, with the aim of predicting the thermal behaviors at the level of the surface and the core of the cell, but also at the level of the connectors and the wire.Finally, the last part presents the electrothermal modeling of a small assembled module of three cells in series. The results of simulations have been validated on constant current regimes, as well as on dynamic current regimes.The work aims to integrate the thermal models in a simulation platform of energy systems and opens up paths towards tools to help in the design of battery packs, assistance with the dimensioning of cooling systems and the development of thermal diagnostic tool for batteries

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Plattard, Tiphaine. "Modélisation du vieillissement d'une batterie Lithium-ion : couplage d'un modèle de fatigue avec un modèle comportemental." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS323.

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Abstract:

Le développement rapide des batteries lithium-ion nécessite des études de vieillissement précises. L'objectif de la thèse est de préciser sur une nouvelle chimie de cellule (NMC) l'impact des paramètres sur le vieillissement, à savoir la température, l'intensité du courant et l'état de charge, et de le mettre en œuvre dans un modèle prédictif et reparamétrable.Une campagne de tests permet de quantifier l'impact unitaire des paramètres de vieillissement sur la perte de capacité de chaque batterie. Nous intégrons les résultats dans un modèle de fatigue. Celui-ci module l'impact d'un ampère-heure échangé par les conditions d’échange de cet ampère-heure au moyen de fonctions de pondération. Ce modèle est ensuite implémenté dans un logiciel, muni de son interface homme machine. Il permet à l'utilisateur de se familiariser avec le vieillissement et de faire des calculs de prédiction de perte de capacité de la batterie.Cependant, ce modèle peut dériver avec le temps en raison de sollicitations répétées. Par conséquent, ses paramètres doivent être mis à jour au moyen de mesures sur le terrain, afin de rester précis. Ces mesures sur le terrain sont soumises à la méthode dite d'analyse incrémentielle des capacités (ICA), consistant à analyser la quantité dQ/dV en fonction de V. Nous avons montré que l’évolution des pics observables sur l’ICA peut être corrélée à la cinétique du premier modèle de fatigue, ce qui permet de se servir de cette mesure pour le recalibrer. Cette mesure permet de réaliser le couplage avec le modèle de fatigue. Enfin, des tests applicatifs permettent de valider la méthode développée Reliable development of LIBs requires accurate aging studies. The objective of the thesis is to clarify on a new cell chemistry (NMC) the impact of the parameters on aging, namely the temperature, the rated current intensity and the state of charge, and to implement it in a predictive and updatable model.A test campaign makes it possible to quantify the unit impact of the aging parameters on the loss of capacity of each battery cell. We integrate the results into a fatigue model. The latter modulates the impact of an exchanged ampere-hour by the exchange conditions of this ampere-hour by means of weighting functions. This model is then implemented in a software, equipped with its man/machine interface. It allows the user to become familiar with aging and to make prediction calculations of loss of battery capacity.This model can drift with time due to repeated solicitation, so its parameters need to be updated by on-field measurements, to remain accurate. These on-field measurements are submitted to the so-called Incremental Capacity Analysis method (ICA), consisting in the analysis of dQ/dV as a function of V. We have shown that the evolution of the peaks observable on the ICA can be correlated with the kinetics of the first fatigue model. This measurement makes it possible to couple with the fatigue model. Finally, application tests validate the method developed

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Delbegue, Diane. "Accumulateur lithium-ion à cathode de fluorures de métaux de transition." Thesis, Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020), 2017. http://www.theses.fr/2017CLFAC046/document.

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Abstract:

Les batteries lithium ions sont la technologie de référence pour le stockage électrochimique de l’énergie. Cependant, les matériaux cathodiques de ces batteries comme LiCoO2, LiMn2O4 ou LiFePO4 présentent une capacité spécifique limitée (<160 mAh/g). De nombreux composés sont à l’étude pour améliorer cette performance dont le fluorure de fer (III) en raison de sa capacité théorique de 711 mAh.g-1. Ce travail présentera la synthèse de FeF3 par différentes méthodes de fluoration. Les matériaux obtenus seront comparés en termes de structures et de liaison (DRX, Mössbauer, spectroscopies IR et Raman) mais aussi de texture (isothermes d’adsorption à l’azote à 77K). Les propriétés électrochimiques des matériaux obtenus seront également comparées et testées. Enfin, l’étude du mécanisme électrochimique de cette famille de composés sera menée via une méthode de caractérisation « in operando » : la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) The lithium-ion batteries are the current solution for electrochemical energy storage. However, their performances are limited by the cathode materials, such as LiCoO2, LiMn2O4 or LiFePO4 of specific capacity lower than 160 mAh/g. Many materials are good candidates to improve this capacity such as iron trifluoride of theoretical capacity of 711 mAh.g-1. This work will present the synthesis of FeF3 through different fluorination ways. The resulting materials will be characterized owing to their structure by XRD, Mössbauer, Raman and IR spectroscopies and their texture by nitrogen adsorption isotherms at 77K and SEM. After that, the electrochemical properties will be evaluated and compared. Finally, the study of the electrochemical mechanism of this family of compounds will be led with a method of characterization “in operando” : the X-rays absorption spectroscopy (XAS)

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Jaumann, Tony. "Zur Degradation und Optimierung von nanostrukturierten Siliciumanoden in Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien." Doctoral thesis, Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden, 2017. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-217655.

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Abstract:

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag für ein besseres Verständnis über die zyklische Alterung von Siliciumnanopartikel (Si-NP) als Anodenmaterial in Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien. Im Fokus der Studie stand der Einfluss der Partikelgröße, des Elektrodendesigns und der Elektrolytzusammensetzung auf die elektrochemische Reversibilität des Siliciums zur Lithiumspeicherung. Über umfangreiche strukturelle Charakterisierungstechniken mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Verbindung mit elektrochemischen Untersuchungsmethoden, konnten wesentliche Mechanismen zur Degradation aufgeklärt und die Funktion diverser Oberflächenverbindungen auf der Siliciumanode identifiziert werden. Als Hauptursache der Degradation von Si-NP mit einer Partikelgröße unter 20 nm konnte das Wachstum der Solid-Electrolyte-Interface (SEI) identifiziert werden. Pulverisierung und die Bildung neuer kristalliner Phasen kann ausgeschlossen werden. Es wurde ein kostengünstiges und flexibles Verfahren zur Herstellung eines nanostrukturierten Silicium-Kohlenstoff-Komposites entwickelt, welches unter optimierten Bedingungen eine spezifische Kapazität von 1280 mAh/g(Elektrode) und einen Kapazitätserhalt von 81 % über 500 Tiefentladungszyklen liefert. Es konnten erfolgreich hoch reversible Flächenkapazitäten von 5 mAh/cm^2 bei nur 4,4 mg/cm^2 Elektrodengewicht nachgewiesen werden. Für die Arbeit wurde zunächst ein Verfahren zur Herstellung von monodispersen Si-NP mit einer Größe von 5 nm – 20 nm angewendet. Die galvanostatische Zyklierung gegen Lithiummetall hat ergeben, dass mit abnehmender Partikelgröße die Reversibilität des Siliciums zunimmt. Über in situ Synchrotron XRD und post mortem XPS konnte eine stabilere Solid-Electrolyte-Interface (SEI) mit abnehmender Partikelgröße als Hauptursache identifiziert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden Si-NP im porösen Kohlenstoffgerüst durch ein leicht modifiziertes Herstellungsverfahren abgeschieden und untersucht. Durch das veränderte Elektrodendesign konnte die Reversibilität bei gleichem Kohlenstoffgehalt deutlich verbessert werden, da der Kontaktverlust des Siliciums zum leitfähigen Gerüst durch SEI Wachstum verzögert wird. Die Elektrolytadditive Fluoroethylencarbonat und Vinylencarbonat führen zu einer weiteren Verbesserung der Reversibilität, wobei Vinylencarbonat die höchste Reversibilität zur Folge hat, jedoch einen hohen Filmwiderstand verursacht. Weiterhin wurden etherbasierte Elektrolyte, welche typischerweise in Lithium-Schwefel-Batterien zum Einsatz kommen, untersucht. Hierbei wurde eine positive Wirkung von Lithiumnitrat auf die Reversibilität von Silicium festgestellt. Es konnten erfolgreich Si-Li-S (SLS) Vollzellen getestet werden, welche eine höhere Lebensdauer als vergleichbare Zellen mit Lithiummetall als Anode aufweisen. Aus den elektrochemischen und post mortem Untersuchungen konnte ein positiver Einfluss von Polysulfiden auf die SEI von Silicium nachgewiesen werden. Durch die umfangreichen post mortem Analysen konnte die Funktion diverser, in der SEI des Siliciums auftretender Verbindungen in Abhängigkeit der Elektrolytzusammensetzung aufgeklärt werden. Es wurde ein anschaulicher Mechanismus des SEI Wachstums in Abhängigkeit des Elektrolyts erstellt The results of this work provide a better understanding about the cyclic aging of silicon nanoparticles (Si-NP) as anode material in Lithium-ion- and Lithium-sulfur batteries. Subject of investigation was the influence of particle size, electrode design and electrolyte composition on the electrochemical reversibility of Si-NP for lithium storage. The main characterization techniques used in this study were XRD, SEM, TEM and XPS combined with electrochemical analysis and in situ synchrotron XRD. Bare silicon nanoparticles ranging from 5 – 20 nm and silicon nanoparticles embedded within a porous carbon scaffold were prepared through a cost-effective and novel synthesis technique including the hydrolysis of trichlorosilane as feedstock. The dominant degradation mechanism of these silicon nanoparticles was identified to be the continuous growth the solid-electrolyte-interphase (SEI). Other phenomena such as pulverisation or new evolving crystalline phases are excluded. It was found that a reduction of the particle size from 20 nm to 5 nm increases the reversibility due to a thicker and therewith more stable SEI. The deposition of the silicon nanoparticles into a porous carbon scaffold caused a significant improvement of the reversibility at constant carbon content. The effect of the electrolyte additives Fluoroethylene carbonate and Vinylene carbonate was analysed in detail. Furthermore, typical electrolyte compositions used for lithium-sulfur-batteries were tested and studied. Si-Li-S (SLS) full cells were demonstrated which outperform conventional lithium-sulfur batteries in terms of life time. The systematic analysis and the rational optimization process of the particle size, electrode design and electrolyte composition allowed to provide a nanostructured silicon electrode with a specific capacity of up to 1280 mAh/g(Electrode) and 81 % capacity retention after 500 deep discharge cycles. Reversible areal capacities of 5 mAh/cm^2 at 4.4 mg/cm^2 electrode weight were demonstrated

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Fei, Yao. "Carbon-Based Nanomaterials as an Anode for Lithium Ion Battery." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2013. http://pastel.archives-ouvertes.fr/docs/00/96/79/13/PDF/20130912_Fei_YAO_thesis_Ecole_submission.pdf.

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Abstract:

Dans ce travail de thèse, nous avons exploré l'utilisation des nanomatériaux à base de carbone comme anode pour les batteries lithium-ion. Par rapport aux matériaux d'anode classiques qui sont de type carbone graphitique a des tailles de grains de l'ordre du micromètre, les matériaux de carbone de taille nanométrique présentent un grand potentiel non seulement pour l'application pratique en tant que matériau d'anode, mais aussi du point de vue de la science fondamentale car permettent l'exploration fine des phénomènes de diffusion des ions lithium. Dans le cadre de l'application pratique, nous avons exploré les nanofibres unidimensionnelles de carbone (CNF) en tant que matériau d'anode. Cette structure d'anode comporte un substrat métallique comme collecteur de courant mais n'avons pas utilisé des liants ce qui bénéficie a la stabilité à long terme. Pourtant, la densité d'énergie que nous avons obtenu était encore limitée à 370 mAh /g similaire à celle du carbone conventionnel. Afin d'améliorer la capacité des nanofibres de carbone bruts, nous les avons recouverts de silicium (par dépôt électrochimique), un matériau d'insertion de lithium avec une bien plus importante capacité de stockage. Le tapis hybrides Si / CNF ont permis d'améliorer nettement la capacité des matériaux de carbone jusqu'à deux fois de plus pour la plupart des cas. Du point de vue des études fondamentales, le graphène matériau bidimensionnel, a été synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et utilisé comme un support pour mettre en évidence les chemins de diffusion des ions lithium. Par rapport à du graphite classique qui contient à la fois les deux plans de type basal et prismatique, seulement un plan basal bien défini et d'une grande surface spécifique peut être réalisé dans le cas du graphène. Nous avons découvert que la réaction électrochimique a l'électrode (substrat / graphène) est non seulement liée au nombre de couches de graphène mais s'appuie également sur la présence de défauts dans le plan de graphène. Combinant les résultats expérimentaux et les calculs de théoriques, nous avons pu prouver que le plan basal empêche la diffusion des ions de lithium avec une hauteur de barrière de diffusion élevé, alors que les divacancies et les défauts d'ordre supérieur peuvent constituer des raccourcis pour la diffusion des ions de lithium In this thesis work, carbon-based nanomaterials using as an anode for lithium ion battery have been generally investigated. Compared to typical micron-sized carbon materials, nanosized carbon materials exhibited great potentials not only in practical anode application but also in the fundamental science exploration of Li ion diffusion. In the case of practical application, one dimensional carbon nanofibers (CNFs) fabricated by electrospinning was prepared for anode material. The structure involves neither a metal substrate nor binders and therefore eventually benefited the capacity and long term stability. Yet, the energy density is still limited to 370 mAh/g of conventional carbon. In order to improve the capacity of raw carbon nanofibers, silicon, a high Li storage material, was incorporated by electrochemical deposition. The resulted Si/CNF mat improved clearly the capacity of carbon materials more than twice for most of cases. In the case of fundamental study, chemical vapor deposition (CVD)-synthesized two dimensional graphene was chosen to be a media to reveal the diffusion pathways of Li ion. Compared to typical graphite which contains both basal and edge planes, a well defined basal plane with large area can be realized in graphene to provide a comprehensive picture of lithium diffusion mechanism. We have discovered that electrochemical reaction of electrode (substrate/graphene) not only is related to the number of graphene layers but also relies on the defect sites on the basal plane of graphene. Combing the experimental results and density functional theory calculations, we proved that basal plane hindered lithium ion diffusion with a high diffusion barrier height, whereas divacancies and higher order defects can be shortcuts for lithium ion diffusion

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Nanini-Maury, Elise. "Formulation d'électrolytes haut potentiel pour la caractérisation d'électrodes positives innovantes : batteries lithium-ion pour le véhicule électrique." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066417/document.

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Abstract:

La mise en œuvre de nouvelles formulations d’électrolytes adaptées à des électrodes positives à haut potentiel pour batterie lithium-ion est un défi majeur pour des systèmes à haute densité d’énergie. Afin d’obtenir une stabilité en oxydation supérieure à 5 V vs. Li+/Li, différents solvants (dinitriles, lactones, phosphates) ont été analysés. Nous avons montré par voltampérométrie cyclique que des électrolytes contenant du sébaconitrile sont stables jusqu’à 5,3 V vs. Li+/Li sur LiCoPO4. Toutefois, les résultats obtenus par impédance électrochimique et spectroscopie photoélectronique X ont révélé la présence d’une nouvelle interface à l’électrode positive issue de la dégradation de l’électrolyte. Bien que cette dégradation limite la cyclabilité, une optimisation de l’interface formée pourrait s’avérer un atout du point de vue de la sûreté du système grâce à une protection de l’électrode positive Implementation of new electrolyte formulations adapted to high potential positive electrodes for lithium-ion battery is a key challenge for high energy density systems. In order to obtain stability in oxidation greater than 5 V vs. Li+/Li, various solvents (dinitriles, lactones, phosphates) were analyzed. We have shown by cyclic voltammetry that electrolytes containing sebaconitrile are stable up to 5.3 V vs. Li+/Li on LiCoPO4. Nonetheless, the results obtained by electrochemical impedance spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy revealed the presence of a new interface onto the positive electrode due to electrolyte degradation. Even though this degradation limits the cycle ability, optimization of the formed interface could be an asset in view of the system safety through the protection of the positive electrode

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Bouteau, Gaspard. "Étude des propriétés de l'interface semi-conducteur - électrolyte sous illumination pour batteries à ion-lithium photo-rechargeables." Thesis, Amiens, 2019. http://www.theses.fr/2019AMIE0048.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse portent sur l'étude d'un dispositif capable de convertir et de stocker l'énergie solaire à l'échelle moléculaire. En utilisant une électrode de TiO2 anatase nanocristallin en contact avec un électrolyte de batterie conventionnel (1 mol/L LiPF6 dans un mélange de solvant EC/DMC en ratio massique 1/1), il a été possible de provoquer la désinsertion d'ions lithium de la structure cristalline de l'électrode en illuminant l'interface électrode/électrolyte. Les cyclages avec photo-recharge de ce type de dispositif ont montré une perte prématurée de la capacité en décharge qui a pu être attribuée à la formation d'une couche de passivation majoritairement constituée de LiF. Des mesures électrochimiques et photo-éléctrochimiques ont permis d'identifier la phase lithiée LixTiO2 comme photo-catalytique vis à vis de la dégradation de l'électrolyte. L'influence de plusieurs paramètres comme la taille des particules de TiO2, la température de cyclage ou la composition de l'électrolyte sur les performances de l'interface sous illumination ont été évaluées. L'impact d'une illumination standardisée sur les propriétés physico-chimique de l'électrolyte LiPF6 EC/DMC a également été étudié. Enfin des caractérisations par Résonnance Paramagnétique Electronique ont permis d'apporter des éclairages sur les mécanismes intervenant à l'interface électrode/électrolyte sous illumination. Une nouvelle composition d'électrolyte a été utilisée et a permis d'empêcher la perte de capacité de l'électrode en cours de cyclage This PhD work relies on the study of a device able to convert and store solar energy at the molecular level. The use of highly divided TiO2 particles as a battery electrode in contact with a commonly used lithium-ion battery electrolyte (namely 1 mol/L LiPF6 in an Ethylene Carbonate/ Dimethyl Carbonate mixture) allowed to trigger light induced deinsertion from the TiO2 crystalline structure. Along galvanostatic discharge and photo-recharge cycles of this material, a premature loss of discharge capacity has been observed and attributed to the formation of a passivation layer predominately composed by lithium fluoride LiF which mitigates the ionic diffusion at the electrode/electrolyte interface. Electrochemical and photo-electrochemical measurements allowed to identify a photo-catalytic behavior of the lithiated phase LixTiO2 for the electrolyte degradation. The impacts of several parameters such as the particle size, the applied temperature on the cycling, or the electrolyte composition on the electrode performances have been investigated as well as the impact of a standardized light exposure on the physicochemical properties of the LiPF6 EC/DMC electrolyte. Finally, Electron Spin Resonance (ESR) characterizations have been performed and provide some insights on the electrode/electrolyte interface mechanisms under illumination. As a matter of performance improvement, a new electrolyte composition has been used and successfully prevents the formation of the passivation layer on the electrolyte surface, leading to the hindering of discharge capacity loss along cycling

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Boivin, Théo. "Approche par mécanique granulaire de la respiration des électrodes de batterie." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2024. http://www.theses.fr/2024GRALI033.

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Abstract:

Afin d'optimiser la capacité des batteries lithium-ion, l'incorporation de silicium en tant que matériau actif de l'anode est une solution intéressante. Toutefois, la forte variation volumique de ce matériau lors de son alliage avec le lithium rend son intégration délicate. En effet, la variation volumique crée un effet de « respiration » de la cellule, au rythme des cycles de charge et de décharge. Cela induit alors des contraintes mécaniques potentiellement néfastes à la durée de vie et à la sécurité de la batterie. Les modélisations actuelles de ce phénomène manquent encore à le décrire correctement, en particulier l’expansion irréversible à chaque cycle. Ces approches sont majoritairement placées sous le prisme du matériau continu. Or, il est de fait que le matériau d'une électrode est granulaire, et que la microstructure peut évoluer par un réagencement des particules. Par ailleurs, les quelques approches ayant considéré cette structure discrète ne présentent pas d'analyse précise des propriétés de contact entre les particules.L'objectif de cette thèse est alors d'intégrer la structure granulaire dans un modèle d'électrode et d'évaluer l’impact des différentes propriétés granulaires sur la respiration.La construction du modèle de respiration est basée sur l’emploi de la DEM (Discrete Element Method), un outil de calcul d’interaction dynamique entre particules. Construit avec le code open-source LIGGGHTS, l’échantillon numérique est composé d’un lit de particules représentatif d’une anode de 50 µm d’épaisseur. Les particules ont pour propriétés celles du silicium/carbone et du graphite, et la loi de contact employée est la loi de Hertz-Mindlin. Tout d’abord, le modèle prédit une amplitude de gonflement quasiment linéaire avec la proportion de silicium dans l’anode. Ensuite, la pression appliquée sur l’électrode ainsi que la rigidité des particules sont étroitement liées par la notion de « niveau de raideur » du lit de particules : augmenter la pression revient à diminuer la rigidité des particules, et réciproquement. À faible niveau de raideur, l'amplitude de respiration diminue notablement, et à haut niveau de raideur, l'amplitude de respiration est indépendante de ce dernier. D’autre part, l’adhésion et les liens cassants entre les particules sont implémentés respectivement via les lois de Johnson-Kendall-Roberts et de Potyondy-Cundall. L’adhésion et/ou les liens cassants se révèlent propices à l’apparition d’une irréversibilité de premier cycle : l’irréversibilité est susceptible d’atteindre jusqu’à 70% de l’amplitude de respiration uniquement dû au réarrangement des particules. Cette observation confirme l’idée que le milieu granulaire est susceptible de contribuer à l’irréversibilité de premier cycle observée expérimentalement. Enfin, lorsque la friction entre les particules est très haute et la rotation de ces dernières bloquée, un phénomène de « pilier » apparaît : la pression appliquée sur l’électrode n’est portée que par quelques colonnes de particules.En parallèle, une étude expérimentale menée sur des échantillons macroscopiques a permis d’étudier l’effet d’une variation de pression durant le cyclage, de la température ainsi que de la pression des premiers cycles. La variation de pression durant le cyclage affecte l’épaisseur de l’anode, mais s’avère faiblement influente sur l’amplitude de respiration. Une température de cyclage élevée (61°C) induit une diminution de l’amplitude de respiration. Elle engendre aussi une perte progressive de capacité plus importante, mais cela n’explique pas toute l’influence sur l’amplitude de respiration, d’où un impact suspecté sur la microstructure. Enfin, la haute pression (3 MPa) durant les premiers cycles se révèle être un levier pour réduire durablement l’amplitude de respiration de l’anode To optimise lithium-ion batteries capacity, the adding of silicon as active material of the anode is an interesting solution. However, the significant volumetric expansion of this material during its alloy with lithium makes its insertion delicate. Indeed, the volumetric expansion creates a “breathing” effect of the cell at the rhythm of charge and discharge cycles, which causes mechanical stress potentially detrimental to lifespan and safety. The current models of this phenomenon are still unable to describe it accurately, especially the irreversible expansion at each cycle. These approaches addressed the problem through the prism of continuous material. Yet, it is a fact that the material of an electrode is granular and that the microstructure can change because of particles reorganisation. In addition, the few approaches that considered this discrete structure do not present a comprehensive analysis of the contact properties between particles.The objective of this thesis is to integrate the granular structure in an electrode model and estimate the impact of the various granular properties on breathing.The construction of the breathing model is based on the use of DEM (Discrete Element Method), a computation tool of dynamical interaction between particles. Built with the open-source code LIGGGHTS, the numerical sample is composed of a particles bed representative of a 50 µm thick anode. Particles have the properties of silicon/carbon black and graphite, and the used contact law is the Hertz-Mindlin law. First, the model predicts a swelling amplitude almost linear with the proportion of silicon within the anode. Moreover, the pressure applied on the electrode and the particles rigidity are closely linked through the concept of particles bed “stiffness level”: increasing pressure is similar to decreasing particles rigidity, and vice versa. At low stiffness level, the breathing amplitude decreases significantly, and at high stiffness level, the breathing amplitude is independent of the latter. In addition, adhesion and breakable bonds between particles are respectively implemented by the laws of Johnson-Kendall-Roberts and Potyondy-Cundall. Adhesion and/or presence of breakable bonds between particles particularly favour the irreversibility at first cycle: the irreversibility is susceptible to reach until 70% of breathing amplitude only because of particles reorganisation. This observation confirms the idea that the granular media is susceptible to contribute to the first cycle irreversibility observed experimentally. Finally, when friction between particles is high and the rotation of the latter is blocked, a phenomenon of “pillars” appears: only few columns of particles support the pressure applied on the electrode.In parallel, an experimental study was carried out on macroscopic samples to investigate the effect of pressure variation during cycling, temperature and pressure during first cycles. The pressure variation during cycling affects anode thickness but shows to be weakly influential on breathing amplitude. A high cycling temperature (61°C) generates a diminution of breathing amplitude. It also creates a progressive capacity loss more important, but it does not explain all the influence on breathing amplitude, hence the impact on microstructure is suspected. At last, high pressure (3 MPa) during first cycles turns out to be a lever to reduce durably the breathing amplitude of the anode

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Zenati, Ali. "Gestion haut niveau et suivi en ligne de l'état de santé des batteries lithium-ion." Thesis, Université de Lorraine, 2012. http://www.theses.fr/2012LORR0391/document.

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Abstract:

Les batteries lithium-ion sont considérées de nos jours comme la solution optimale pour les systèmes de stockage d'énergie, et cela est dû principalement à leurs hautes densités d'énergie et de puissance. Leurs performances, durées de vie, et fiabilités sont liées et dépendent des conditions d'utilisations telles que la température et les courants demandés par l'application. Et afin d'avoir un suivi de l'évolution du vieillissement de la batterie, la détermination de son état de santé (State-Of-Health -SOH-) est une fonction majeure à considérer. Ce mémoire expose les méthodologies ou techniques développées pour la gestion de la durée de vie de la batterie lithium-ion, et plus particulièrement pour la détermination de son état de santé, en se basant sur ses propres paramètres principaux qui sont la capacité et la résistance ohmique. Cette démarche permet de basculer d'un SOH statique (basé sur un modèle prédéfini de vieillissement tenant compte du calendaire et du cyclage en fonction des caractéristiques telles que la température et le courant de la batterie suivies en temps réel) vers un SOH dynamique ou auto-adaptatif, puisqu'il est basé sur un modèle du composant électrochimique dont les paramètres précédents sont évaluées en temps réel en fonction des conditions d?utilisation. Le premier chapitre revient sur les généralités concernant la technologie lithium-ion : caractéristiques, performances, constitution de l'élément de stockage, choix et nature des électrodes... Le principe de fonctionnement avec les équations générales des phénomènes électrochimiques sont aussi développés. Le second chapitre est un état de l'art des méthodologies de prédiction de la durée de vie avec les différentes classifications des modèles et des techniques de prédiction. Puis lors du troisième chapitre, nous aborderons nos méthodologies développées et les techniques utilisées, telles que le calcul statistique, la logique floue et les lois de vieillissement pour la détermination d'un état de santé dynamique de la batterie, qui en plus de la prise en compte de l'état de santé statique, c'est-à-dire basé seulement sur le vieillissement calendaire et en cyclage, considérera aussi l'évolution de la capacité et de la résistance ohmique de la batterie, en fonction du temps et des conditions d'utilisation, permettant ainsi de considérer les phénomènes improbables. Enfin dans le dernier chapitre, nous exposerons les résultats obtenus lors des tests de validations sur banc de puissance et de prototypage rapide sur des éléments réels Lithium-ion batteries are considered nowadays as the optimal issue for the energy storage systems, it is mainly due to their high energy and power density. Their performances, lifetime, and reliability are related and depend on the operating conditions such as the temperature and requested current by the application. And in order to track the evolution of the ageing of the battery, the determination of its State-Of-Health -SOH- is a major function to consider. This thesis presents both methodologies and techniques developed for the management of the lifetime of lithium-ion battery, and more particularly the assessment of its state-of-health, based on its own main parameters which are the capacity and the ohmic resistance. This approach allows to switch from a static SOH (based on a predefined ageing model, which take into account the calendar and cycling ageing of the battery, according to some characteristics such as the temperature and the courant of the battery tracked in real time) to a dynamic SOH (self-adaptive) using an online assessment of the previous parameters according to the operating conditions. The first chapter is an overview about the lithium-ion technology: characteristics, performances, cell design, choice and nature of the electrodes... The operating principle with the general equations are also developed. The second chapter is a state of the art of the lifetime prediction methodologies with the different kinds of classification of models and prediction techniques. Then in the third chapter, we will discuss our methodologies and the developed techniques, such as the use of statistics, fuzzy logic and rules of ageing to assess a dynamic state of health of the battery, which not only does take into account the static SOH (calendar and cycling ageing), but also considers the evolution of the ohmic resistance and the capacity of the battery, depending on the time and the operating conditions. This allows taking into consideration unlikely phenomena. Finally, in the last chapter, we will expose obtained results from validation tests. These tests were done under a power electrical testbench and a rapid prototyping testbench with real cells

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Denoyelle, Quentin. "Microbatteries lithium(-ion) tout solide pour applications haute température." Thesis, Bordeaux, 2021. http://www.theses.fr/2021BORD0007.

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Abstract:

Le développement de la microélectronique a conduit à l’émergence de capteurs capables de fonctionner à haute température (150 - 250 °C). Les sources d’énergie existantes (batteries conventionnelles, batteries ZEBRA etc.) sont peu ou pas du tout adaptées pour ce genre d’applications. L’utilisation du LiPON, électrolyte céramique stable jusqu’à plus de 200 °C, permet d’envisager l’utilisation des microbatteries comme source d’alimentation à haute température. L’objectif de la thèse consiste à évaluer la possibilité d’utiliser des microbatteries standards de type LiCoO2/LiPON/Li à haute température. La première partie de l’étude porte sur la stabilité en température des différents matériaux de l’empilement, notamment celle des composés délithiés Li1-xCoO2. En parallèle, la deuxième partie de l’étude s’est concentrée sur l’analyse des interfaces entre les différents matériaux, notamment sur l’interface LiCoO2/LiPON. A partir des résultats obtenus sur la stabilité thermique du matériau d’électrode positive et sur sa réactivité vis-à-vis de l’électrolyte, son remplacement est étudié dans la troisième partie afin d’obtenir un empilement plus robuste à haute température. L’étude du composé Li2FeS2 et de l’interface avec le LiPON a permis de montrer des résultats encourageants pour l’application visée The development of microelectronics has led to the manufacture of sensors able to operate at high temperatures (150 - 250 °C). For this kind of application, available power sources (conventional batteries, ZEBRA batteries etc.) are poorly or not adapted at all to this kind of applications. The use of LiPON, a ceramic electrolyte stable until high temperature, suggests that microbatteries could be used for high temperature current supplying. The aim of this work is to estimate the sustainability of standard microbatteries LiCoO2/LiPON/Li at high temperature. The first part of the study focuses on the thermal stability of the different materials of the stack, especially on delithiated compounds Li1-xCoO2. In parallel, the second part of the study is devoted to the interfaces between the different materials, focusing on the LiCoO2/LiPON interface. Given the results obtained on the thermal stability of the positive electrode material and its reactivity with the electrolyte, the third part deals with the electrode material substitution in order to make a more robust stack at high temperature. The study of Li2FeS2 and its interface with the electrolyte leads to promising results with regard to the aimed application

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Zenati, Ali. "Gestion haut niveau et suivi en ligne de l'état de santé des batteries lithium-ion." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2012. http://www.theses.fr/2012LORR0391.

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Abstract:

Les batteries lithium-ion sont considérées de nos jours comme la solution optimale pour les systèmes de stockage d'énergie, et cela est dû principalement à leurs hautes densités d'énergie et de puissance. Leurs performances, durées de vie, et fiabilités sont liées et dépendent des conditions d'utilisations telles que la température et les courants demandés par l'application. Et afin d'avoir un suivi de l'évolution du vieillissement de la batterie, la détermination de son état de santé (State-Of-Health -SOH-) est une fonction majeure à considérer. Ce mémoire expose les méthodologies ou techniques développées pour la gestion de la durée de vie de la batterie lithium-ion, et plus particulièrement pour la détermination de son état de santé, en se basant sur ses propres paramètres principaux qui sont la capacité et la résistance ohmique. Cette démarche permet de basculer d'un SOH statique (basé sur un modèle prédéfini de vieillissement tenant compte du calendaire et du cyclage en fonction des caractéristiques telles que la température et le courant de la batterie suivies en temps réel) vers un SOH dynamique ou auto-adaptatif, puisqu'il est basé sur un modèle du composant électrochimique dont les paramètres précédents sont évaluées en temps réel en fonction des conditions d?utilisation. Le premier chapitre revient sur les généralités concernant la technologie lithium-ion : caractéristiques, performances, constitution de l'élément de stockage, choix et nature des électrodes... Le principe de fonctionnement avec les équations générales des phénomènes électrochimiques sont aussi développés. Le second chapitre est un état de l'art des méthodologies de prédiction de la durée de vie avec les différentes classifications des modèles et des techniques de prédiction. Puis lors du troisième chapitre, nous aborderons nos méthodologies développées et les techniques utilisées, telles que le calcul statistique, la logique floue et les lois de vieillissement pour la détermination d'un état de santé dynamique de la batterie, qui en plus de la prise en compte de l'état de santé statique, c'est-à-dire basé seulement sur le vieillissement calendaire et en cyclage, considérera aussi l'évolution de la capacité et de la résistance ohmique de la batterie, en fonction du temps et des conditions d'utilisation, permettant ainsi de considérer les phénomènes improbables. Enfin dans le dernier chapitre, nous exposerons les résultats obtenus lors des tests de validations sur banc de puissance et de prototypage rapide sur des éléments réels Lithium-ion batteries are considered nowadays as the optimal issue for the energy storage systems, it is mainly due to their high energy and power density. Their performances, lifetime, and reliability are related and depend on the operating conditions such as the temperature and requested current by the application. And in order to track the evolution of the ageing of the battery, the determination of its State-Of-Health -SOH- is a major function to consider. This thesis presents both methodologies and techniques developed for the management of the lifetime of lithium-ion battery, and more particularly the assessment of its state-of-health, based on its own main parameters which are the capacity and the ohmic resistance. This approach allows to switch from a static SOH (based on a predefined ageing model, which take into account the calendar and cycling ageing of the battery, according to some characteristics such as the temperature and the courant of the battery tracked in real time) to a dynamic SOH (self-adaptive) using an online assessment of the previous parameters according to the operating conditions. The first chapter is an overview about the lithium-ion technology: characteristics, performances, cell design, choice and nature of the electrodes... The operating principle with the general equations are also developed. The second chapter is a state of the art of the lifetime prediction methodologies with the different kinds of classification of models and prediction techniques. Then in the third chapter, we will discuss our methodologies and the developed techniques, such as the use of statistics, fuzzy logic and rules of ageing to assess a dynamic state of health of the battery, which not only does take into account the static SOH (calendar and cycling ageing), but also considers the evolution of the ohmic resistance and the capacity of the battery, depending on the time and the operating conditions. This allows taking into consideration unlikely phenomena. Finally, in the last chapter, we will expose obtained results from validation tests. These tests were done under a power electrical testbench and a rapid prototyping testbench with real cells

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Perez, Arnaud. "Energy storage properties of iridium oxides : model materials for the study of anionic redox." Electronic Thesis or Diss., Paris 6, 2017. http://www.theses.fr/2017PA066323.

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Abstract:

L’amélioration des systèmes de stockage d’énergie représente un défi majeur de la transition vers les véhicules électriques et les énergies renouvelables. Les accumulateurs Li-ion, qui ont déjà conquis le marché de l’électronique portatif, constitueront la technologie dominante pour réaliser cet objectif, et sont donc l’objet d’intense recherches afin d’améliorer leurs performances, en particulier en termes de capacité. Parmi les stratégies les plus prometteuse pour augmenter la capacité des matériaux de cathodes, beaucoup d’espoir est placé dans la préparation de matériaux riches en lithium, qui combinent l’activité électrochimique des cations (métaux de transitions) et des anions (oxygène). Cependant, l’activation des propriétés redox de l’oxygène est accompagnée de plusieurs problèmes qui freinent le développement industriel de ces matériaux. Il est donc nécessaire d’obtenir de solides connaissances fondamentales sur le phénomène de redox anionique pour résoudre ces problèmes. En utilisant des matériaux modèles à base d’iridium, ce travail explore comment l’activité de l’oxygène est influencé par son environnement local. Les propriétés électrochimiques des composés Na2IrO3 et Na(Li1/3Ir2/3)O2 sont étudiés afin de comprendre l’impact de la nature de l’ion alcalin. L’influence du ratio Li/M dans les oxydes de structure NaCl est étudié à travers la synthèse d’un nouveau composé de formule Li3IrO4, qui présente la plus haute capacité réversible parmi les matériaux d’insertion utilisés comme cathode. Cette famille de matériau est finalement étendue à des phases contenant des protons par une simple méthode d’échange cationique, et les propriétés électrochimiques d’un nouveau composé H3+xIrO4 sont étudiées, dévoilant de très bonnes propriétés de stockage de puissance en milieu aqueux Improving energy storage stands as a key challenge to facilitate the transition to electric vehicles and renewable energy sources in the next years. Li-ion batteries, which have already conquered the portable electronic market, will be the leading technology to achieve this goal and are therefore the focus of intense research activities to improve their performances, especially in terms of capacity. Among the most promising strategies to obtain high capacity cathode materials, the preparation of Li-rich materials combining the redox activity of cations (transition metals) and anions (oxygen) attracts considerable interest. However, activation of anionic redox in these high capacity materials comes with several issues that need to be solved prior their implementation in the energy storage market. Deep fundamental understanding of anionic redox is therefore required to go forward. Using model systems based on iridium, this work explores how the oxygen local environment can play a role on the activation of anionic redox. The electrochemical properties of Na2IrO3 and Na(Li1/3Ir2/3)O2 phases are studied to understand the impact of the alkali nature. The influence of the Li/M ratio in rocksalt oxides is investigated with the synthesis of a new material Li3IrO4, which presents the highest reversible capacity among intercalation cathode materials. The rich electrochemical properties of this family of iridate materials are finally extended by preparing proton-based materials through a simple ion-exchange reaction and the electrochemical properties of a new H3+xIrO4 material are presented, with high rate capability performances

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Guilmin, Romain. "Vers des batteries lithium organiques innovantes mettant en jeu des polymères à base de Nméthylphénothiazines modifiées." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016GREAI002/document.

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Abstract:

La N-méthylphénothiazine (MPT) est une cible de choix pour développer des matériaux organiques redox performants pour électrodes positives de batterie lithium-ion. Ces matériaux dits organiques sont aujourd’hui une alternative crédible aux matériaux inorganiques, actuellement utilisés dans les accumulateurs, de par leurs coûts et toxicité moindres.C’est dans cette optique que des polymères redox contenant l’unité N-méthylphénothiazine ont été synthétisés et caractérisés. Leurs propriétés électrochimiques ont été étudiées en solution via l’utilisation de molécules modèles puis en cellule électrochimique à négative de lithium.Mais pourquoi la N-méthylphénothiazine ? Cette cible redox présente deux systèmes réversibles mais en l’état, seul le premier est exploitable. L’objectif de cette thèse a donc été de modifier chimiquement la molécule afin de moduler les valeurs de potentiels de ses deux systèmes et ainsi les rendre électrochimiquement actifs dans la fenêtre de stabilité des électrolytes de la technologie lithium, permettant de presque doubler la capacité théorique.Ces dérivés ont ensuite pu être polymérisés et testés électrochimiquement, des performances intéressantes ont été obtenues pour certains d’entre eux. Mais malgré l’utilisation de matériaux insolubles à l’état neutre, les cyclages galvanostatiques ont mis en évidence une dissolution des matériaux à l’état oxydé, du moins pour les polymères de plus faibles masses, induisant une diminution de la capacité The N-methylphenothiazine (MPT) is a prime target with the aim of developing innovative redox organic materials useful as positive electrode of lithium-ion battery. These organic materials are today a credible alternative to inorganic materials by their lower cost and toxicity.It is in this context that MPT-based redox polymers have been synthesized and characterized. Their electrochemical properties have been investigated in lithium cells to estimate their potential.But why the N-methylphenothiazine ? This redox target has two reversible systems but only the first is exploited. The project was therefore the chemical modification of the MPT molecule to modulate potential values of two systems. These chemical developments thus allow improving notably the MPT derivative theoretical capacities accessible in the electrochemical stability range of lithium-ion technology electrolyte.These derivatives were synthesized and tested in lithium cell. Some of them present interesting performances. But despite the use of insoluble materials at the neutral state, cell tests showed material dissolution in the oxidized state, which decreases significantly the obtained capacities

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Mawonou, Kodjo. "Développement d’algorithmes adaptatifs embarqués et débarqués du système de gestion batterie pour l’estimation des états de la batterie en usage automobile." Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPASC028.

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Abstract:

Les aspects environnementaux prennent une part croissante dans les préoccupations des pouvoirs publics et de l’opinion. Dans ce contexte les constructeurs automobile doivent y répondre en proposant des véhicules ayant un respect de l’environnement toujours plus important. Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le développement de véhicules électriques (VEs). L’énergie des véhicules électriques et hybrides est stockée dans des batteries constituées de nombreuses cellules électro-chimiques (souvent lithium-ion) connectées les unes aux autres en série et en parallèle. Ces cellules nécessitent une étroite surveillance pour assurer un fonctionnement sécurisé des VEs. Cette fonction est assurée dans le véhicule par le système de gestion de batterie (BMS).Dans la première partie de la thèse, nous étudions les solutions de réduction de la charge de calcul du BMS lorsque de nombreuses cellules sont utilisées. Pour augmenter la précision de l’estimation de l’état de charge (SoC), nous avons étudié et implanté un estimateurs d’état à base d’un modèle d’ordre fractionnaire.La deuxième partie de l’étude est consacrée au vieillissement des batteries Li-ion. Tout d’abord nous avons établi des nouveaux indicateurs de vieillissement. Puis à l’aide des données recueillies pendant l’utilisation des VEs, nous avons mise au point un estimateur d’état de santé (SoH) par apprentissage. L’apprentissage est effectué en fonction des comportements des utilisateurs des VEs.Pour finir, nous fournissons un outil de classification des facteurs aggravant du vieillissement Environmental issues are increasingly concerning to public opinion and authorities. Accordingly, Automobile manufacturers have to propose more environmental friendly vehicles. This thesis project goes to the general scope of battery-driven vehicles. The energy of the electric and hybrid vehicles is stored in batteries pack made of numerous electrochemical cells. Lithium-ion cells are the most commonly used, and are one another connected in series and parallel. These batteries packs, require an enhanced surveillance assured by a dedicated controller called Battery ManagementSystem (BMS).The first part of the work deals with computational burden reductionin the BMS when several battery cells are utilized in battery packs. To improvethe precision of batteries state of charge (SoC) estimation, we have studied and implemented a fractional order model (FOM) based state estimator for Li-ionbatteries.The second part of the study is dedicated to Li-ion batteries health management. First, new state of health (SoH) indicators were designed. Furthermore, a datadriven SoH predictor was designed using EVs data collected over time. The model training was conducted based on extracted user’s behaviors. Finally, a tool is provided for ageing factors ranking

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Madaoui, Said. "Prise en compte des connexions électriques dans la gestion thermique d'un pack batterie lithium-ion." Electronic Thesis or Diss., Bordeaux, 2024. http://www.theses.fr/2024BORD0145.

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Abstract:

Le temps de charge est devenu l'une des principales préoccupations limitant le développement des véhicules électriques. Pour contrer ce problème, il est impératif de concevoir des systèmes de gestion thermique adaptés pour préserver la santé des batteries et également raccourcir leur temps de charge.Pour une cellule de batterie présentant des caractéristiques spécifiques, la puissance de charge se trouve contrainte par des aspects électriques et thermiques. Cette thèse se concentre sur l'évaluation et l'optimisation de la gestion thermique d'un module batterie en exploitant le refroidissement à travers la connectique. L'approche basée sur la modélisation est utilisée comme méthode pour examiner cette solution, étayée par des simulations numériques et des tests expérimentaux visant à confirmer la justesse du modèle proposé.Tout d’abord, des modèles du comportement électrique puis thermique d’une cellule sont développés séparément, puis couplés. De manière systématique, les modèles sont présentés, leurs procédures de calibration sont décrites et ils sont comparés à des résultats expérimentaux. Une attention particulière est portée à la modélisation électrothermique de l’enroulement électrodes-séparateur dans l’électrolyte (Jelly roll) présent au cœur de la cellule en proposant un maillage adapté. Ensuite, une campagne d’essais expérimentaux est réalisée pour calibrer le modèle électrothermique d’un module batterie de 12 cellules. Ce modèle est validé grâce à une seconde vague d’essais. Une nouvelle approche de gestion thermique est proposée, où le module de cellules est refroidi non seulement par la plaque de refroidissement inférieure, mais aussi par une deuxième plaque de refroidissement posée sur la connectique de puissance (busbars). À travers des simulations et des tests expérimentaux, cette nouvelle configuration présente des améliorations significatives. La constante de temps thermique est réduite permettant un refroidissement plus rapide du module. De plus, la température maximale atteinte par la batterie lors de la charge avec ce double système de refroidissement est abaissée de quelques degrés Celsius par rapport à l'approche conventionnelle. L'un des avantages clés de cette configuration est que la plaque de refroidissement supérieure agit comme un pont thermique, favorisant l'homogénéisation de la température à l'intérieur du module de cellules. En conséquence, elle devrait conduire à un vieillissement uniforme des batteries, garantissant leurs longévités et leurs performances optimales.Enfin, un profil de charge rapide a été optimisé en suivant le protocole multiniveau (mult-step). Les travaux sur le profil de charge ont pour but de pouvoir simuler une charge rapide et réaliser une comparaison en termes de temps de charge et du gradient thermique entre l'architecture conventionnelle avec refroidissement par plaque en partie inférieure et une nouvelle configuration intégrant une source de refroidissement additionnelle via la connectique Charging time has become one of the main concerns limiting the development of electric vehicles. To counter this problem, it is necessary to design suitable thermal management systems to both preserve the health of batteries longer and to be able to shorten their charging time. For a battery cell with specific characteristics, the charging power is constrained by electrical and thermal considerations. This thesis focuses on evaluating and optimizing the thermal management of a battery module by utilizing cooling through the connectors. The model-based design approach is employed as a method to investigate this solution, supported by numerical simulations and experimental tests to validate the accuracy of the proposed model.First, models of the electrical and thermal behaviors of a cell are developed separately and then coupled. The models are systematically presented, their calibration procedures are described, and they are compared with experimental results. Particular attention is paid to the electrothermal modeling of the Jelly roll present at the heart of the cell by proposing a suitable mesh. Then, an experimental test campaign is carried out to calibrate the electrothermal model of a 12-cell battery module. This model is validated through a second wave of tests. A new thermal management approach is proposed, where the battery module is cooled not only by the bottom cooling plate, but also by a second cooling plate located on the busbars. Through simulations and experimental tests, this new configuration presents significant improvements. The thermal time constant is reduced allowing for a faster cooling of the module. In addition, the maximum temperature reached by the battery when charging with this dual cooling system is lowered compared to the conventional approach. One of the key advantages of this configuration is that the upper cooling plate acts as a thermal bridge, promoting temperature homogenization inside the battery module. As a result, it supports a uniform aging process of batteries, ensuring their longevity and optimal performance.Finally, a fast-charging profile has been optimized for two different protocols. The first protocol is the multi-step, and the second involves transforming the discontinuous profile of the multi-step protocol into a smoother profile using splines. The work on the charging profile aims to simulate fast charging and make a comparison in terms of charging time between the conventional architecture based on bottom cooling and a new configuration integrating an additional cooling source via the connectors

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Chazel, Cédric. "Etude par RMN de matériaux d'électrode pour batteries lithium-ion." Phd thesis, Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2006. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00092375.

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Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général de l'étude des matériaux d'intercalation de type LiMO2 et LiM2O4 (M : métal de transition) utilisés comme matériaux d'électrode dans les batteries lithium-ion. La RMN du solide permet de caractériser l'environnement local du lithium dans ces matériaux, grâce à l'exploitation des interactions hyperfines dues à la présence d'une certaine densité d'électrons célibataires (déplacement de contact de Fermi) ou de conduction (déplacement de Knight) sur le noyau de lithium. En suivant la transformation de la phase lamellaire LiNiO2 en phase spinelle LiNi2O4 par RMN du lithium, nous avons étudié la nature du signal asymétrique de LiNiO2 et l'influence de l'écart à la stoechiométrie du matériau, puis mis en évidence une mobilité électronique couplée à la mobilité ionique pour les phases désintercalées LixNiO2 en relation avec l'ordre Li/lacune et Ni3+/Ni4+, et enfin mis en évidence des défauts structuraux au sein de la spinelle LiNi2O4 obtenue par traitement thermique de Li0.5NiO2. La RMN du lithium des phases intercalées issues des spinelles LiTi2O4 et Li4Ti5O12 a montré que Li2Ti2O4 est métallique avec un déplacement de Knight du signal de RMN du lithium identique à LiTi2O4, et que Li7Ti5O12 présente des signaux de nature intermédiaire entre déplacement de Knight et contact de Fermi.

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Mohajer, Sara. "Stratégies de charge rapide de batteries lithium-ion prenant en compte un modèle de vieillissement." Thesis, Bordeaux, 2019. http://www.theses.fr/2019BORD0027.

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Un modèle décrivant les phénomènes physiques internes de batteries lithium-ion est développé pour une détection précise de leur état, avec application au domaine de l'industrie automobile. Pour pouvoir utiliser le modèle à des fins de contrôle de charge rapide, un observateur de vieillissement est tout d'abord conçu et intégré au modèle de batterie. Dans un second temps, une stratégie de contrôle de charge rapide robuste est conçue. Elle est basée sur un contrôleur Crone capable de gérer les grandes incertitudes paramétriques du modèle de batterie tout en atteignant l'objectif de charge rapide. Enfin, quelques simplifications du modèle de batterie, de la technique d'optimisation et de la définition des profils de charge rapide sont proposées et évaluées afin de rendre l'ensemble de la stratégie de recharge rapide applicable à un système embarqué de gestion de batterie A physics-based battery model is developed for an accurate state-detection of batteries in the automotive industry. In order to use the model for the purpose of fast charging control an aging observer is designed and integrated to the battery model. In a subsequent step a robust fast charging control is introduced to design a controller able to deal with large parametric uncertainties of the battery model while achieving the fast charging target. Finally some simplifications in the battery model structure, in the optimization technique and in the definition of fast charging profiles are proposed and evaluated to make the whole model applicable for an onboard battery management system

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Xuan, Wen. "Développement d'un procédé hydrométallurgique pour le recyclage des électrodes positives de type NMC contenues dans les batteries lithium-ion usagées." Electronic Thesis or Diss., Université de Lorraine, 2022. http://www.theses.fr/2022LORR0074.

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Abstract:

Le stockage électrochimique de l'énergie est central pour la transition énergétique. Les batteries lithium-ion sont une des technologies privilégiées actuellement pour stocker l'énergie et la restituer réversiblement pour le véhicule électrique et de nombreuses autres applications. Dans le cadre de l'économie circulaire, ces batteries en fin de vie doivent être recyclées. L'hydrométallurgie est une des voies envisagées pour traiter les batteries et produire des matières premières pouvant être réutilisées pour fabriquer de nouvelles batteries. C'est dans ce contexte que ce travail de thèse s'est concentré sur le développement d'un procédé hydrométallurgique pour recycler des matériaux d'électrodes positives de type NMC (LiNixMnyCozO2) des batteries Li-ion. Après une présentation détaillée du contexte et des technologies de recyclages des batteries lithium-ion dans le premier chapitre du manuscrit, le deuxième chapitre concerne le développement de la première étape d'un procédé hydrométallurgique : la lixiviation. Dans ce cette partie, nous nous sommes attachés à comprendre les mécanismes de lixiviation de plusieurs types de NMC par l'acide chlorhydrique. Un nouveau mécanisme a ainsi pu être proposé. Il suggère que la réaction a lieu en deux étapes : une transformation de phase rapide conduisant à la formation d'une nouvelle phase déficiente en lithium suivie de la dissolution de cette nouvelle phase. Les cinétiques de lixiviation ont été décrites avec succès par plusieurs modèles cinétiques semi-empiriques. Les données expérimentales nous ont également permis de trouver les conditions opératoires optimales permettant de lixivier efficacement différents matériaux d'électrodes positives de type NMC par l'acide chlorhydrique à 4 mol L⁻¹. Le travail réalisé dans le troisième chapitre nous a permis de proposer un schéma de procédés reposant essentiellement sur des étapes d'extraction liquide-liquide et de précipitation pour extraire les métaux contenus dans le jus de lixiviation. Le cobalt(II) dissous dans de l'acide chlorhydrique à 7 mol L⁻¹ peut être extrait à température ambiante par 0,4 mol L⁻¹ d'Alamine® 336 dilué dans un kérosène modifié par du 1-dodécanol avec un rapport des volumes des phases O/A=2 à l'aide de quatre mélangeurs-décanteurs, puis désextrait par une solution de 0,1 mol L⁻¹ d'acide chlorhydrique. Le manganèse(II) peut être extrait à température ambiante par 0,7 mol L⁻¹ d'Alamine ® 336 dilué dans le kérosène également modifié par du 1-dodécanol à un rapport des volumes des phases O/A=2 à l'aide de deux mélangeurs-décanteurs, puis désextrait par une solution de 0,1 mol L⁻¹ d'acide chlorhydrique. Le nickel(II) a été précipité à pH 8 sans co-précipitation du lithium, ce qui permet de récupérer à la fin du procédé une solution contenant du lithium qui peut être précipitée en carbonate de lithium. Enfin, le dernier chapitre de cette thèse a cherché à évaluer l'intérêt potentiel de la précipitation par antisolvant pour son intégration dans un procédé de recyclage de batteries lithium-ion. Il s'avère que la précipitation par antisolvant à l'aide d'éthanol ou d'acétone ne peut pas être appliquée pour précipiter le cobalt(II), le nickel(II) , le manganèse(II) ou le lithium(I) en milieux chlorure. Par contre, ces éléments métalliques, à l'exception du lithium(I) peuvent être précipités lorsque la dissolution des électrodes de type NMC a été préalablement réalisée dans l'acide citrique. Après l'ajout de deux volumes d'acétone à un volume de jus de lixiviation obtenu par dissolution de NMC111 dans 1,5 mol L⁻¹ acide citrique à S/L = 20 g/L, 99 % de manganèse, 98 % de cobalt et 87 % de nickel en masse ont été récupérés sous forme solide après 120 heures alors que le lithium est resté en solution. Ce procédé ouvre la voie à la séparation du manganèse(II), du cobalt(II) et du nickel(II) par rapport au lithium(I). Le précipité peut être calciné à 900 °C pendant une heure pour produire des oxydes métalliques mixtes Electrochemical energy storage is essential for energy transition. Currently, Lithium-ion batteries are one of the successful technologies to store and release energy reversibly for electric vehicles and many other applications. As a part of the circular economy, the spent lithium-ion batteries must be recycled. Hydrometallurgy is one of the solutions to process batteries and produce raw materials that can be reused to make new batteries. In this context, this PhD thesis focused on the development of a hydrometallurgical process for recycling NMC cathodic materials (LiNixMnyCozO2) contained in spent Li-ion batteries. After a detailed presentation of the context and the recycling technologies of lithium-ion batteries in the first chapter of the manuscript, the second chapter concerns the development of the first step of a hydrometallurgical process, i.e. the leaching operation. This part addresses the comprehension of the mechanisms of NMC leaching in hydrochloric acid. A new mechanism was proposed, which suggests that the reaction takes place in two steps: a fast phase transformation leading to the formation of a new lithium-deficient phase followed by the dissolution of this new phase which is the limiting step. Leaching kinetics have been successfully described by several semi-empirical kinetic models. The experimental data can be used to find optimal experimental conditions to efficiently leach NMC cathode materials in 4 mol L⁻¹ hydrochloric acid. In the third chapter, a new flowsheet implementing solvent extraction and precipitation stages was designed based on the results found in the second chapter. It was shown that cobalt(II) could be extracted at room temperature from 7 mol L⁻¹ hydrochloric acid by using 0.4 mol L⁻¹ Alamine® 336 diluted in kerosene modified by 1-dodecanol at a phase volume ration O/A=2 by means of four mixer settlers. Afterwards, cobalt(II) was stripped by 0.1 mol L⁻¹ hydrochloric acid. In a second step, manganese(II) could be extracted at room temperature by 0.7 mol L⁻¹ Alamine® 336 diluted in kerosene modified by 1-dodecanol at a phase volume ratio O/A=2 by means of two mixer settlers. Nickel(II) was precipitated at pH 8 without lithium co-precipitation. In the last chapter, the potentialities of antisolvent precipitation and its implementation into a lithium-ion battery recycling process was assayed. It turns out that antisolvent precipitation using ethanol or acetone cannot be applied to precipitate cobalt(II), nickel(II), manganese(II) or lithium(I) in acidic chloride media. Conversely, it was possible to precipitate all of the metals except for lithium(I) from a leaching solution produced from NMC dissolution in 1.5 mol L⁻¹ citric acid at S/L = 20 g/ L. After mixing two parts of acetone in one part of the leachate, 99 (wt)% of manganese, 98 (wt)% of cobalt and 87 (wt)% of nickel were recovered in the precipitate after 120 hours while the Li remained in solution. This process paves the way for the separation of manganese(II), cobalt(II) and nickel(II) from lithium(I). The precipitate was calcined at 900 °C for 1 hour to produce mixed metal oxides

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Gallot--Duval, Doriane. "Analyse isotopique directe du lithium à haute résolution spatiale. Application à la caractérisation du transport du lithium dans des matériaux d'électrolyte pour les batteries tout solide." Electronic Thesis or Diss., université Paris-Saclay, 2024. http://www.theses.fr/2024UPASF035.

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Abstract:

L'analyse isotopique du lithium par LIBS est une technique très prometteuse car elle permet l'analyse à distance, rapide, sous atmosphère ambiante, et avec peu voire pas d'étapes de préparation des échantillons. Dans ce manuscrit nous avons développé cette technique afin de l'adapter aux besoins propres au développement de nouveaux électrolytes solides pour les batteries de 4ème génération. Ces développements nécessitent en effet de mieux comprendre la mobilité des ions lithium dans un électrolyte déjà lithié. Ces propriétés de mobilité peuvent être investiguées en utilisant le traçage isotopique du lithium. Il y a donc un besoin en techniques analytiques permettant une analyse isotopique à haute résolution spatiale (≤ 10 µm) des matériaux d'électrolyte. L'analyse isotopique du lithium par LIBS permettrait ainsi d'apporter des informations complémentaires à celles obtenues par d'autres techniques analytiques. Ce développement a été effectué en plusieurs temps. Nous avons d'abord montré la faisabilité de l'analyse isotopique dans un polymère d'électrolyte solide, le POE LiTFSI, dans une configuration d'ablation standard à 250 µm de résolution latérale. Dans ces conditions, nous avons exploré la possibilité d'une analyse isotopique en profondeur d'échantillons multicouches. Nous avons ainsi pu mesurer une variation de l'abondance isotopique en 6Li dans du carbonate de lithium inclus dans une résine époxy avec une résolution de 0,74 µm par tir laser. Cette approche s'est cependant révélée limitée pour l'analyse d'échantillons plus complexes tels que les échantillons multicouches de batterie. Nous avons alors choisi de développer la technique en configuration de micro-ablation afin de mettre en oeuvre des mesures sur une section transverse plutôt qu'en profondeur. Nous avons dans un premier temps réalisé un étalonnage de l'abondance en 6Li dans le POE LiTFSI avec une résolution latérale de 7 µm et une incertitude relative de 27% pour une mesure en 20 tirs laser. Puis nous avons réalisé la première cartographie isotopique semi-quantitative du lithium par LIBS d'un échantillon d'époxy contenant du carbonate de lithium avec une résolution latérale de 3,3 µm et une incertitude relative de l'ordre de 40% tir à tir. Les résultats obtenus dans cette thèse ouvrent la voie au traçage isotopique du lithium par LIBS dans des matériaux de batteries. Nous espérons ainsi être en mesure d'obtenir des profils de diffusion du ⁶Li dans le système électrochimique qui, en complément des caractérisations réalisées en ToF-SIMS et RMN à l'état solide, permettront de mieux comprendre le transport des ions et d'alimenter des modélisations associées Lithium isotopic analysis by LIBS is a very promising technique, as it allows rapid, remote analysis, under ambient air atmosphere, with few or no sample preparation steps. In this manuscript, we have developed this technique in order to adapt it to the specific needs of the development of solid electrolytes for 4th generation batteries. These developments require a better understanding of the mobility of lithium ions in a lithiated electrolyte. These mobility properties can be investigated using lithium isotope labeling. There is therefore a need for analytical techniques enabling isotopic analysis with high spatial resolution (≤ 10 µm) of electrolyte materials. Lithium isotopic analysis by LIBS would thus provide complementary information to that obtained by other analytical techniques. This development was carried out in several stages. First, we demonstrated the feasibility of isotope analysis in a solid electrolyte polymer, POE LiTFSI, in a standard ablation configuration at 250 µm lateral resolution. Under these conditions, we explored the possibility of in-depth isotopic analysis of multilayer samples. We were thus able to measure a variation in 6Li isotopic abundance in lithium carbonate included in an epoxy resin with a resolution of 0.74 µm per laser shot. However, this approach proved limited for the analysis of more complex samples such as battery multilayers. We then chose to develop the technique in a micro-ablation configuration so as to be able to carry out measurements on a transverse section rather than at depth. We began by calibrating the 6Li abundance in POE LiTFSI with a lateral resolution of 7 µm and a relative uncertainty of 27%, using 20 laser shots. We then carried out the first semi-quantitative lithium isotope mapping by LIBS of an epoxy sample containing lithium carbonate, with a lateral resolution of 3.3 µm and a relative uncertainty of the order of 40% shot for shot. The results obtained in this thesis pave the way for lithium isotopic labeling by LIBS in battery materials. We hope to obtain diffusion profiles of ⁶Li in the electrochemical system which, in addition to ToF-SIMS and NMR characterizations, will provide a better understanding of ion transportation and provide data to associated modeling

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GENTILE, ANTONIO. "MXene-based materials for alkaline-ion batteries: synthesis, properties, applications." Doctoral thesis, Università degli Studi di Milano-Bicocca, 2022. http://hdl.handle.net/10281/382748.

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Abstract:

La produzione sempre maggiore di dispositivi portatili e auto elettriche chiede al mercato di produrre dispositivi efficienti in grado di poter accumulare l’energia elettrica. Per questo tipo di tecnologie in cui la miniaturizzazione del dispositivo è essenziale, le batterie litio ione (LIBs) sono diventate il mezzo di accumulare energia. La ricerca su queste batterie è focalizzata ad ottenere dispositivi sempre più performanti con materiali elettrodici ad alte capacità gravimetriche e volumetriche. Accanto all’aspetto tecnologico, legato alla ottimizzazione dei materiali, vi è anche quello dell’approvvigionamento dei componenti attivi della batteria, tra tutti il litio. La problematica attualmente è affrontata studiando batterie con altri metalli alcalini (Na e K). Di questi dispositivi non esistono però materiali già standardizzati malgrado la ricerca, specialmente sulle batterie sodio ione (SIB), sia partita solo qualche anno più tardi rispetto quella delle LIB; per cui queste tecnologie oggi sono destinate ad affiancare quelle delle LIB per sopperire all’enorme richiesta di mercato di batterie per i veicoli del futuro. L’obbiettivo del presente lavoro è stato quello di sviluppare materiali anodici a base di MXene per ottenere efficienti anodi per batterie sodio e litio ione. I MXenes sono una famiglia di carburi di metalli di transizione con una struttura 2D che sembrerebbe promettente per l’intercalazione di diversi ioni grazie ad una grande flessibilità ed adattabilità strutturale nei confronti del tipo di ione intercalante. L’intercalazione degli ioni avviene con un meccanismo pseudocapacitivo per cui i materiali hanno capacità limitate, ma hanno grande stabilità elettrochimica su migliaia di cicli ed efficienze coulombiche prossime al 100%. La produzione di questo materiale avviene per etching in HF di un precursore chiamato MAX phase. Questo è il metodo più facile e veloce per ottenere il materiale in scala di laboratorio ma presenta numerose criticità quando i volumi vengono rapportati su scala industriale. Una gran parte del lavoro è stata dedicata allo studio della tecnica sintetica per ottenere MXenes per SIB riducendo o sostituendo HF nella sintesi chimica. I materiali sono stati caratterizzati con varie tecniche di caratterizzazioni strutturali, morfologiche ed elettrochimiche. Data la struttura 2D, che ricorda quella del grafene, un uso frequente in letteratura è quello della realizzazioni di nanocompositi per SIB e LIB, al fine di produrre materiali ad alta capacità, come richiesto nel mercato delle batterie. Sono stati quindi ottenuti dei nanocompositi a base di antimonio-MXene e ossido di stagno-MXene testati rispettivamente in SIB e LIB. Antimonio e ossido di stagno sono due materiale dalla elevata capacità teorica, quando usati come anodi in batterie, ma allo stesso tempo sono estremamente fragili e tendono a polverizzarsi nei processi di carica e scarica. Il MXene è servito da buffer per limitare o evitare la frattura e distacco delle leghe dalla superficie elettrodica The ever-increasing production of portable devices and electric cars asks to the market to produce efficient devices that can store electrical energy. For these types of technologies, where device miniaturization is essential, lithium-ion batteries (LIBs) have become leaders as energy storage systems. The research on the lithium-ion batteries is focused to obtain more performing devices with high gravimetric and volumetric capacities of the electrode materials. In addition to the technological aspect, related to the optimization of materials, there is the supply chain of active components of the battery to consider, starting from lithium. At the moment, the problem is tackled by studying batteries with other alkaline metal ions, i.e. Na+ and K+. However, there are no standardized active materials for these devices, especially on sodium-ion batteries (SIBs), started only a few years later than that of LIBs; therefore, today these technologies are intended to support the LIBs in order to satisfy the enormous market demand of the batteries for the future vehicles. The goal of this work was to develop MXene-based anode materials to obtain efficient anodes for sodium and lithium-ion batteries. MXenes are a family of inorganic transition metal carbides, nitrides, and carbonitrides with a 2D structure that would seem promising for the intercalation of different ions due to a great flexibility and adaptability towards several intercalating ions. The ion intercalations occur by a pseudocapacitive mechanism whereby the materials have limited capacity, but they have great electrochemical stability over thousands of cycles and coulombic efficiencies near to 100%. The production of this material was done by HF etching of a precursor called MAX phase. This is the easiest and fastest method to obtain the material in laboratory scale, but it has many criticalities when the process has to be scale-up to industrial scale. A large part of this work was spent studying the synthetic technique to obtain MXenes for SIB by reducing or replacing HF in the chemical synthesis. The materials have been characterized by various techniques such as X-ray diffractometry, electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, etc., and by electrochemical tests, such as cyclic voltammetry and galvanostatic cycling. Thanks to the 2D structure, a common use of MXene in the literature is in nanocomposite syntheses for SIBs and LIBs, in order to produce high-capacity materials, as required in the battery market. Therefore, two nanocomposites based on antimony-MXene and tin oxide-MXene tested for SIB and for LIB respectively, were synthesized. Antimony and tin oxide are two materials with high theoretical capacity when used as anodes in batteries, but at the same time, they are extremely fragile and tend to pulverize during charging and discharging processes. MXene is used as a buffer to limit or prevent cracking and separation of alloys from the electrode surface.

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Azmi, Raheleh [Verfasser], and M. J. [Akademischer Betreuer] Hoffmann. "Oberflächenanalytische Ansätze zur zuverlässigen Charakterisierung von Lithium-Ionen-Batterie-Elektroden = Surface Analytical Approaches to Reliably Characterize Lithium-Ion Battery Electrodes / Raheleh Azmi ; Betreuer: M. J. Hoffmann." Karlsruhe : KIT-Bibliothek, 2018. http://d-nb.info/1170230563/34.

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Yao, Fei, and Costel Sorin Cojocaru. "Carbon-Based Nanomaterials as an Anode for Lithium Ion Battery." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2013. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00967913.

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Abstract:

Dans ce travail de thèse, nous avons exploré l'utilisation des nanomatériaux à base de carbone comme anode pour les batteries lithium-ion. Par rapport aux matériaux d'anode classiques qui sont de type carbone graphitique a des tailles de grains de l'ordre du micromètre, les matériaux de carbone de taille nanométrique présentent un grand potentiel non seulement pour l'application pratique en tant que matériau d'anode, mais aussi du point de vue de la science fondamentale car permettent l'exploration fine des phénomènes de diffusion des ions lithium. Dans le cadre de l'application pratique, nous avons exploré les nanofibres unidimensionnelles de carbone (CNF) en tant que matériau d'anode. Cette structure d'anode comporte un substrat métallique comme collecteur de courant mais n'avons pas utilisé des liants ce qui bénéficie a la stabilité à long terme. Pourtant, la densité d'énergie que nous avons obtenu était encore limitée à 370 mAh /g similaire à celle du carbone conventionnel. Afin d'améliorer la capacité des nanofibres de carbone bruts, nous les avons recouverts de silicium (par dépôt électrochimique), un matériau d'insertion de lithium avec une bien plus importante capacité de stockage. Le tapis hybrides Si / CNF ont permis d'améliorer nettement la capacité des matériaux de carbone jusqu'à deux fois de plus pour la plupart des cas. Du point de vue des études fondamentales, le graphène matériau bidimensionnel, a été synthétisé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et utilisé comme un support pour mettre en évidence les chemins de diffusion des ions lithium. Par rapport à du graphite classique qui contient à la fois les deux plans de type basal et prismatique, seulement un plan basal bien défini et d'une grande surface spécifique peut être réalisé dans le cas du graphène. Nous avons découvert que la réaction électrochimique a l'électrode (substrat / graphène) est non seulement liée au nombre de couches de graphène mais s'appuie également sur la présence de défauts dans le plan de graphène. Combinant les résultats expérimentaux et les calculs de théoriques, nous avons pu prouver que le plan basal empêche la diffusion des ions de lithium avec une hauteur de barrière de diffusion élevé, alors que les divacancies et les défauts d'ordre supérieur peuvent constituer des raccourcis pour la diffusion des ions de lithium.

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Che, Daud Zul Hilmi. "Contribution à l'étude du comportement thermique de la batterie lithium-ion pour véhicules électriques et hybrides." Thesis, Dijon, 2014. http://www.theses.fr/2014DIJOS078/document.

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Abstract:

Les principaux objectifs de cette étude est de fournir les informations essentielles sur le comportement thermique des cellules de batterie pour une application automobile, en particulier pour les véhicules électriques et hybrides. Cette application est notre cadre de travail expérimental afin de développer un modèle électro-thermique 3D efficace pour les cellules lithium-ion et du pack batterie. L'étude expérimentale se concentre sur la distribution de température en différents points de la surface de la cellule, de l'impact de différents débits constants, et également l'importance du système de refroidissement sur le comportement en température de la batterie. Cette thèse met en évidence le comportement de température de la cellule dans des conditions de décharge agressive et de l'impact de l'empilement de plusieurs cellules à l'intérieur de la batterie. Une étude de cas sur le comportement thermique de la cellule dans une application véhicule électrique hybride série est proposée pour compléter les cycles de conduite en utilisant différentes stratégies de refroidissement. En outre, l'étude expérimentale est étendue à la caractéristique du comportement de refroidissement par flux d'air à l'intérieur de la batterie, en utilisant le système d'image de particules (PIV). Le modèle électro-thermique CFD 3D est développé sous un logiciel Open Source OpenFOAM. L'objectif principal est d'obtenir un modèle relativement simple mais précis avec un temps de calcul raisonnable. Le modèle proposé, estime la production de chaleur, à partir du courant de la batterie et la résistance interne en fonction de la température, le transfert de chaleur par conduction, convection forcée et rayonnement The main objectives of this study are to provide the essential information on the thermal behaviour of the battery cells for automotive purpose especially for EVs and HEVs through experimental work in order to develop an effective 3D electro-thermal model for lithium ion battery cells and pack. The experimental study is focusing on the distribution of temperature at various points of the battery cell surface, impact of different constant discharge rates, and also the importance of cooling system on the battery temperature behaviour. This thesis highlights the battery cell temperature under abuse discharge condition and the impact of stacking the battery cells inside the battery pack. Impact of different temperature and SOC on the battery cell internal resistance and a case study on the battery cell thermal behaviour used in a series HEV to complete driving cycles using different cooling strategies are also studied. Furthermore, the experimental study is extended to the characteristic of the cooling air flow behaviour inside the battery pack, using particulate image velocimetry (PIV) system. The 3D electro-thermal CFD model is implemented in a free, open source CFD software package called OpenFOAM. The target is to have a relatively simple but accurate model with reasonable computation time. This proposed model considers the heat generation from battery current and internal resistance as a function of temperature, heat transfer through conduction, forced convection and radiation

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Chancelier, Léa. "Développement de solutions innovantes d'électrolytes pour sécuriser les accumulateurs lithium-ion." Thesis, Lyon 1, 2014. http://www.theses.fr/2014LYO10208/document.

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Abstract:

Les batteries lithium-ion dominent le marché des appareils nomades et celui des véhicules électriques. Néanmoins elles posent des problèmes de sécurité liés à leur électrolyte, contenant des carbonates inflammables et volatils. Pour sécuriser ces systèmes, les liquides ioniques (LI) sont étudiés comme électrolytes alternatifs. Ce sont des sels liquides à température ambiante, réputés stables thermiquement et non inflammables. Ce caractère sécuritaire des LI, souvent avancé, est pourtant peu étayé par des expériences probantes. Les travaux de cette thèse visent à comprendre le comportement de ces LI en situations abusives, telles qu'un échauffement de la batterie, un feu ou une surcharge. Les températures de décomposition de LI contenant les cations imidazolium ou pyrrolidinium différemment substitués et l'anion bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ont été déterminées par analyse thermogravimétrique (ATG). Une analyse critique des données (de la littérature et de nos mesures) a permis de définir une procédure optimisée, pour obtenir des résultats reproductibles et comparables. Des électrolytes constitués de mélanges de carbonates ou de LI et de sels de lithium ont été analysés par ATG dynamique et isotherme, et leurs produits de décomposition ont été identifiés. Leur comportement au feu a été testé par la mesure des chaleurs de combustion, des délais d'inflammation et l'identification des gaz générés. Des tests de cyclage électrochimique ont été menés avec ces mêmes électrolytes dans des systèmes lithium-ion constitués des électrodes Li4Ti5O12 et LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2. L'évolution des électrolytes et des surfaces des électrodes en situation de surcharge a été examinée Lithium-ion batteries are dominating both the nomad device and electric vehicle markets. However they raise safety concerns related to their electrolyte, which consists of flammable and volatile carbonate mixtures and toxic salts. The replacement of the latter by ionic liquids (IL), liquid salts claimed to be thermally stable and non-flammable, could provide a safer alternative. Yet this often claimed feature has been poorly examined by experiments. The work of this thesis investigates IL behaviour under abuse conditions such as overheating, fire or overcharge. Decomposition temperatures of IL based on differently substituted imidazolium or pyrrolidinium cations and the bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion were determined by thermogravimetric analysis (TGA). A critical study of gathered data (from literature and our work) led to the determination of an optimised procedure to obtain reproducible and comparable results. Electrolytes based on carbonates mixtures or IL and containing lithium salt were studied by dynamic and isothermal TGA, and their decomposition products were identified. Their combustion behaviour was also tested by measuring heats of combustion and ignition delays. Emitted gases were analysed and quantified. Electrochemical cycling tests were carried out with these electrolytes in lithium-ion systems based on Li4Ti5O12 and LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 electrodes. The evolution of the electrolytes and electrodes surface was also examined under overcharge

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Ezzedine, Mariam. "Fabrication of hierarchical hybrid nanostructured electrodes based on nanoparticles decorated carbon nanotubes for Li-Ion batteries." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLX105/document.

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Abstract:

Cette thèse est consacrée à la fabrication ascendante (bottom-up) de matériaux nanostructurés hybrides hiérarchisés à base de nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNTs) décorés par des nanoparticules (NPs). En fonction de leur utilisation comme cathode ou anode, des nanoparticules de soufre (S) ou silicium (Si) ont été déposées. En raison de leur structure unique et de leurs propriétés électroniques, les VACNTs agissent comme une matrice de support et un excellent collecteur de courant, améliorant ainsi les voies de transport électroniques et ioniques. La nanostructuration et le contact du S avec un matériau hôte conducteur améliore sa conductivité, tandis que la nanostructuration du Si permet d'accommoder plus facilement les variations de volume pendant les réactions électrochimiques. Dans la première partie de la thèse, nous avons synthétisé des VACNTs par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (HF-CVD) directement sur des fines feuilles commerciales d'aluminium et de cuivre sans aucun prétraitement des substrats. Dans la deuxième partie, nous avons décoré les parois latérales des VACNTs avec différents matériaux d'électrode, dont des nanoparticules de S et de Si. Nous avons également déposé et caractérisé des nanoparticules de nickel (Ni) sur les VACNTs en tant que matériaux alternatifs pour l'électrode positive. Aucun additif conducteur ou aucun liant polymère n'a été ajouté à la composition d'électrode. La décoration des nanotubes de carbone a été effectuée par deux méthodes différentes: méthode humide par électrodéposition et méthode sèche (par dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou par CVD). Les structures hybrides obtenues ont été testées électrochimiquement séparément dans une pile bouton contre une contre-électrode de lithium. A notre connaissance, il s'agit de la première étude de l'évaporation du soufre sur les VACNTs et de la structure résultante (appelée ici S@VACNTs). Des essais préliminaires sur les cathodes nanostructurées obtenues (S@VACNTs revêtus d'alumine ou de polyaniline) ont montré qu'il est possible d'atteindre une capacité spécifique proche de la capacité théorique du soufre. La capacité surfacique de S@VACNTs, avec une masse de S de 0.76 mg cm-2, à un régime C/20 atteint une capacité de 1.15 mAh cm-2 au premier cycle. Pour les anodes nanostructurées au silicium (Si@VACNTs), avec une masse de Si de 4.11 mg cm-2, on montre une excellente capacité surfacique de 12.6 mAh cm-2, valeur la plus élevée pour les anodes à base de silicium nanostructurées obtenues jusqu'à présent. Dans la dernière partie de la thèse, les électrodes nanostructurées fabriquées ont été assemblées afin de réaliser la batterie complète (Li2S/Si) et sa performance électrochimique a été testée. Les capacités surfaciques obtenues pour les électrodes nanostructurées de S et de Si ouvrent la voie à la réalisation d'une LIB à haute densité d'énergie, entièrement nanostructurée, et démontrent le grand potentiel du concept proposé à base d'électrodes nanostructurées hybrides hiérarchisées This thesis is devoted to the bottom-up fabrication of hierarchical hybrid nanostructured materials based on active vertically aligned carbon nanotubes (VACNTs) decorated with nanoparticles (NPs). Owing to their unique structure and electronic properties, VACNTs act as a support matrix and an excellent current collector, and thus enhance the electronic and ionic transport pathways. The nanostructuration and the confinement of sulfur (S) in a conductive host material improve its conductivity, while the nanostructuration of silicon (Si) accommodates better the volume change during the electrochemical reactions. In the first part of the thesis, we have synthesized VACNTs by a hot filament chemical vapor deposition (HF-CVD) method directly over aluminum and copper commercial foils without any pretreatment of the substrates. In the second part, we have decorated the sidewalls and the surface of the VACNT carpets with various LIB's active electrode materials, including S and Si NPs. We have also deposited and characterized nickel (Ni) NPs on CNTs as alternative materials for the cathode electrode. No conductive additives or any polymer binder have been added to the electrode composition. The CNTs decoration has been done systematically through two different methods: wet method by electrodeposition and dry method by physical vapor deposition (PVD). The obtained hybrid structures have been electrochemically tested separately in a coin cell against a lithium counter-electrode. Regarding the S evaporationon VACNTs, and the S@VACNTs structure, these topics are investigated for the first time to the best of our knowledge.Preliminary tests on the obtained nanostructured cathodes (S@VACNTs coated with alumina or polyaniline) have shown that it is possible to attain a specific capacity close to S theoretical storage capacity. The surface capacity of S@VACNTs, with 0.76 mg cm-2 of S, at C/20 rate reaches 1.15 mAh cm-2 at the first cycle. For the nanostructured anodes Si@VACNTs, with 4.11 mg cm-2 of Si showed an excellent surface capacity of 12.6 mAh cm-2, the highest value for nanostructured silicon anodes obtained so far. In the last part of the thesis, the fabricated nanostructured electrodes have been assembled in a full battery (Li2S/Si) and its electrochemical performances experimentally tested. The high and well-balanced surface capacities obtained for S and Si nanostructured electrodes pave the way for realization of high energy density, all-nanostructured LIBs and demonstrate the large potentialities of the proposed hierarchical hybrid nanostructures' concept

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Idjis, Hakim. "La filière de valorisation des batteries de véhicules électriques en fin de vie : contribution à la modélisation d’un système organisationnel complexe en émergence." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2015. http://www.theses.fr/2015SACLC015/document.

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Abstract:

Avec le développement des véhicules électriques, la question de la valorisation des batteries lithium-ion (BLI) se pose pour diverses raisons. Pourtant, une filière de valorisation structurée n’existe pas aujourd’hui. Notre travail académique a pour objet l’étude de cette dernière. La filière de valorisation des BLIs est définie comme un système sociotechnique, complexe en émergence. Notre problématique consiste alors à l’étudier d’un point de vue technico-économique, organisationnel et prospectif et ce en tenant compte des différentes complexités. Cette problématique soulève trois questions de recherche : Comment modéliser la filière de valorisation des BLIs comme un système organisationnel complexe en émergence ? Comment faire de la prospective sur la filière de valorisation des BLIs ? Comment analyser la gouvernance de la filière de valorisation des BLIs ?Pour modéliser la filière de valorisation des BLIs, nous mettons en œuvre d’une manière combinée trois méthodes de modélisation systémiques : SCOS’M (Systemics for Complex Organisational Systems’ Modelling), la cartographie cognitive et la dynamique des systèmes. La modélisation a pour objectif la caractérisation de la filière (parties prenantes, sous-systèmes …), la compréhension de ses dynamiques d’évolution et l’identification des variables clés dans ces dynamiques. Cette modélisation est une base pour la suite.Pour faire de la prospective sur la filière de valorisation des BLIs, nous préconisons l’utilisation des scénarios. Ces derniers sont définis à l’aide de la matrice SRI (Stranford Research Institute), en exploitant les variables clés qui interviennent dans les dynamiques d’évolution de la filière. La prospective est permise en simulant le modèle dynamique des systèmes avec différents scénarios, afin d’analyser les aspects technico-économiques. Pour l’étude de la gouvernance de la filière de valorisation des BLIs, le périmètre a été restreint à l’activité de reconditionnement. Dans ce cas, l’étude de la gouvernance revient à analyser des combinaisons de répartition (application 2nde vie, partie prenante). Une méthodologie d’aide à la décision a été développée pour cette fin. D’une manière générale, cette thèse a identifié les enjeux et questions qui se posent lors de l’étude de la valorisation des batteries lithium-ion des véhicules électriques. A travers notre modélisation, nous avons établi une base d’analyse utile à l’aide à la décision. Nous avons répondu à certaines questions (aspects technico-économiques et organisationnels) et ouvert la voie pour d’autres (aspects logistiques et environnementaux) With the development of electric vehicles, the recovery of lithium-ion batteries (LIB) arises for various reasons. However, a structured recovery network does not exist today. Our academic work aims to study this latter. The LIBs recovery network is defined as a socio-technical complex emerging system. Our problematic is then to study it from a technical-economic, organizational and prospective perspective, taking into account the different complexities. This problematic raises three research questions: How to model the LIBs recovery network as a complex organizational emerging system? How to foresight on the LIBs recovery network? How to analyze the LIBs recovery network governance?To model the LIBs recovery network, we apply with combination three systemic modeling methods: SCOS'M (Systemics for Complex Organisational Systems' Modelling), cognitive mapping and system dynamics. The modeling aims to characterize the recovery network (stakeholders, subsystems ...), understand its dynamics and identify the key variables in these dynamics. This model is the basis for the following research questions.To Foresight on the LIBs recovery network, we recommend the use of scenarios. These are defined using the SRI matrix (Stranford Research Institute), exploiting the key variables. Foresight is permitted by simulating the system dynamics model with different scenarios to analyze the technical-economic aspects. For the study of the LIBs recovery network governance, the scope was restricted to the repurposing activity. In this case, the study of the governance comes down to analyzing the combinations (2nd life application, stakeholder). A decision aid methodology has been developed for this purpose. In general, this thesis identified the questions that arise when considering the recovery of LIBs. Through our modeling, we have established a useful basis for decision aid. We answered some questions (technical-economic and organizational aspects) and paved the way for others (logistical and environmental aspects)

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Sourice, Julien. "Synthèse de nanocomposites cœur-coquille silicium carbone par pyrolyse laser double étage : application à l’anode de batterie lithium-ion." Thesis, Paris 11, 2015. http://www.theses.fr/2015PA112166/document.

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Abstract:

Le remplacement du carbone graphite, matériau commercial dans les batteries au lithium ion, par du silicium est un axe privilégié afin d’augmenter la capacité des anodes au sein de ces accumulateurs. En revanche, le silicium micrométrique souffre de puissants effets de dégradation au cours du cyclage. L’expansion volumique des particules lors de la formation des alliages lithiés et la réduction des électrolytes en contact avec la matière active, sous forme de produits de dégradation appelés SEI, induisent une diminution importante de la durée de vie de ces anodes. La communauté scientifique a donc émis l’idée de stabiliser le silicium en diminuant la taille des particules à l’échelle nanométrique, limitant fortement le risque de pulvérisation. De plus, le contact direct entre la matière active et les solvants peut être très largement diminué via la formation d’une coquille de carbone autour des particules de silicium. La problématique est alors la suivante : obtenir un matériau dit « cœur-coquille » à base de silicium nanométrique enrobé de carbone, à l’aide d’un procédé facilement industrialisable.Le Laboratoire Edifices Nanométriques (LEDNA) possède une grande expertise en synthèse de nanomatériaux par pyrolyse laser en phase gaz. Cette méthode de synthèse est souple, possède un rendement de production élevé et offre un contrôle important sur les conditions de réaction. Afin de répondre à la problématique posée, un nouveau réacteur de synthèse à deux étages de réaction a été développé. A l’aide de cette expérience originale, des nanomatériaux à base de silicium cristallin ont été synthétisés, ainsi que leur équivalent enrobé de carbone. Des cœurs de silicium amorphes ont également été enrobé de carbone, permettant l’obtention d’une structure cœur-coquille encore inédite dans la littérature. La microscopie révèle que les matériaux sont sous forme de chainette de particules, une structure obtenue de façon classique par les méthodes de synthèse en phase gaz mais qui se pourrait se révéler bénéfique aux propriétés de conduction électronique et ionique. Les coquilles carbonées caractérisées par spectroscopie Raman révèlent une organisation riche en liaisons sp2 mais peu graphitique. Une étude par spectroscopie des électrons Auger (AES) montre que l’homogénéité de l’enrobage carboné varie selon les matériaux, les plus petits cœurs de silicium bénéficiant d’un meilleur recouvrement. Par diffraction des neutrons, nous avons montré que le silicium amorphe enrobé est très peu sensible à l’oxydation contrairement aux autres matériaux non enrobés.Les matériaux ont été utilisés en tant que matériaux d’anode dans des batteries au lithium métal. Une étude par balayage voltamétrique a montré que les matériaux à base de silicium cristallin nécessitent plusieurs balayages avant d’être lithiés jusqu’au cœur. En revanche, le silicium amorphe enrobé subit une lithiation profonde immédiate, phénomène dont la littérature ne fait pas mention faute de pouvoir obtenir ce composite non oxydée selon les méthodes de synthèses traditionnelles. Une étude par spectroscopie d’impédance électrochimique résolue en potentiel a été réalisée afin de déterminer les mécanismes de dégradation de ces électrodes. Nous avons montré que ce phénomène est principalement entretenu par la dissolution des composés de la SEI lors de la délithiation des matériaux. De plus, l’intensité de ce phénomène de dissolution semble corrélée avec la quantité de surface de silicium potentiellement en contact avec l’électrolyte. Enfin, testés galvanostatiquement, les matériaux enrobés de carbone ont démontré des performances très supérieures au carbone graphite. Au régime élevé de 2C, difficilement accessible au matériau d’anode commerciale, le matériau amorphe enrobé a supporté près de 500 cycles en maintenant une capacité et une efficacité coulombique élevée, supérieure à 800 mAh.g-1 et 99,99% The replacement of carbon graphite, the commercial anode material in Li-ion batteries, by silicon is one of the most promising strategies to increase the capacity of anode in these devices. However, micrometric silicon suffers from strong degradation effect while cycling. The volume expansion of the lithiated particles and the direct contact between the active material and the solvents induce the continuous formation and pulverization of a solid electrolyte interphase (SEI) leading to the rapid fading of the capacity. Many research groups suggest decreasing the size of the particle to the nanoscale where pulverization of the particles is almost inexistent. Furthermore, the formation of a carbon shell around these silicon nanoparticles is cited as the most efficient way to isolate the material from the direct contact with the solvent. The main issue is to obtain these core shell nanocomposites with a process able to meet industrial requirement.The Nanometric Structure Laboratory (LEDNA) is experimented in the synthesis of nanomaterial thanks to the gas phase laser pyrolysis method. This versatile process is characterized by a high yield of production and permits an efficient control over the reaction parameters. In order to obtain core shell structures, a new reactor has been developed by the combination of two stages of reaction. Thanks to this original setup, crystalline silicon cores covered or not with a carbon shell were achieved in one step for the first time. Likewise, amorphous cores were covered with a carbon shell, leading to the synthesis of a novel nanocomposite. Microscopic study reveals that these materials are obtained in a chain-like structure that can be beneficial to the electronic and ionic conduction properties. The carbonaceous compound were characterized by Raman spectroscopy and appeared to be non-graphitic sp2 rich species known in the literature as basic structural units (BSU). Auger electron spectroscopy study highlights the homogeneity of the carbon covering, in particular over smaller silicon cores. Neutron diffraction showed that the amorphous silicon cores covered with carbon are protected against passive oxidation unlike bare amorphous cores.The nanocomposites were used as anode materials in lithium-metal coin cell configuration. A cyclic voltammetry study highlights that crystalline silicon cores embedded into carbon need many sweeps before their full lithiation whereas amorphous core shell nanocomposites deeply lithiated from the first sweep, a phenomena yet not described in the literature. A potential resolved electronic impedance spectroscopy technic was used to determine the main degradation process of the core shell materials. We showed that the capacity fading can be mainly attributed to SEI dissolution and reformation through cycling, obstructing the porous structure of the electrode and limiting the cyclability. Finally, galvanostatically tested the core-shell nanocomposites reveal enhanced performance compared to graphite carbon. At the high charge/discharge rate of 2C, hardly reachable to the commercial anode material, the amorphous core-shell nanocomposite was cycled up to 500 cycles while maintaining a high capacity of 800 mAh.g-1 and outstanding coulombic efficiency of 99,99 %

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Lepoivre, Florent. "Study and improvement of non-aqueous Lithium-Air batteries via the development of a silicon-based anode." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066326/document.

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Abstract:

Face aux défis du XXIème siècle concernant l'approvisionnement mondial en énergie et le réchauffement climatique, il est capital de développer des systèmes de stockage d'énergie efficaces et compétitifs. Parmi eux, la technologie Lithium-Air fait l'objet de nombreuses recherches car elle présente une densité d'énergie théorique dix fois supérieure à celle des batteries Li-ion actuellement utilisées, mais la complexité des réactions chimiques mises en jeu la cantonne au stade de la recherche. Afin d'étudier de manière fiable et reproductible les batteries Li-Air, une nouvelle cellule de test électrochimique intégrant un capteur de pression a été développée. Elle permet d'estimer la quantité de réactions parasites associées à une configuration de batterie lors du cyclage à court et long terme (> 1000 h). Une étude comparative des différents électrolytes les plus utilisés a été réalisée, révélant la différence de comportement entre ces différentes espèces ainsi que l'instabilité de l'anode composée de lithium métallique. Nous avons donc abordé le remplacement de l'anode de lithium par une électrode de silicium pré-lithié. En étudiant l'influence de différentes techniques de pré-lithiation sur des électrodes contenant des particules de Si oxydées en surface, un phénomène de réduction de SiO2 en Si a été mis en évidence, apportant ainsi un gain substantiel en capacité. Les électrodes " activées " ont ensuite été utilisées en tant qu'anode dans les cellules complètes LixSi-O2. Après optimisation, la durée de vie obtenue est supérieure à 400 h (> 30 cycles), ce qui est comparable à la littérature actuelle mais toutefois limité par la présence de réactions parasites Supplying the world energy demand while reducing the greenhouse gases emissions is one of the biggest challenges of the 21st century; this requires the development of efficient energy storage devices enabling the utilization of renewable energies. Among them, Lithium-Air batteries are very attractive due to their high theoretical energy density – 10 times that of the current Li-ion batteries – but their development is hindered by the complexity of the chemistry at play. In order to understand such chemistry, we designed a new electrochemical test cell that integrates a pressure sensor, thereby enabling an accurate in operando monitoring of the pressure changes during charge/discharge with high reproducibility and sensitivity. Its use is demonstrated by quantifying the parasitic reactions in Li-O2 cells for various electrolytes frequently encountered in the literature. Through this comparative study, we are able to observe the phenomena currently limiting the performances of Li-O2 batteries after a long cycling (> 1000 h), such as parasitic reactions and the instability of the Li anode. To address the later issue, Li was replaced by a prelithiated silicon electrode made of Si particles oxidized in surface. We demonstrated the feasibility of enhancing both their capacity and cycle life via a pre-formatting treatment that triggers the reduction of their SiO2 coating by liberating pure Si metal. The full LixSi-O2 cells using such treated electrodes exhibit performances competing with the best analogous systems reported in the literature (> 30 cycles; more than 400 h of cycling), but the development of practical prototypes still requires to improve the cycle-life

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Lavisse, Téo. "Ecoconception appliquée aux systèmes batteries, une approche par intégration de modèles à l'ACV." Electronic Thesis or Diss., Université Grenoble Alpes, 2024. http://www.theses.fr/2024GRALI061.

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Abstract:

Dans un contexte mondial d'électrification du transport individuel, le véhicule électrique se retrouve au centre d'enjeux économiques, sociaux et environnementaux majeurs. Présentée comme une solution prometteuse pour décarboner le secteur et remplacer les véhicules thermiques, responsables d'une pollution atmosphérique significative, la voiture électrique, et en particulier sa batterie, n'est toutefois pas exempte d'impacts environnementaux tout au long de son cycle de vie.Loin d'être un simple assemblage de cellules électrochimiques, une batterie est un système complexe qui intègre dans un pack des composants thermiques, électroniques et mécaniques. La conception de tels systèmes requiert une expertise pluridisciplinaire, ce qui rend l'intégration de la dimension environnementale dans la recherche appliquée sur les batteries particulièrement difficile. Les approches traditionnelles d'écoconception peinent à saisir cette complexité, rendant l'analyse environnementale d'une batterie souvent imprécise. Les Analyses de Cycle de Vie (ACV) montrent ainsi une grande variabilité de méthodologie et de résultats et sont particulièrement sensibles à certains paramètres, comme le mix électrique ou la durée de vie. Pour combler ces lacunes, des modèles paramétriques et des modèles batterie ont été couplés à l'ACV, mais ils n'intègrent généralement pas l'influence des paramètres de conception du pack sur la durée de vie et les performances de la batterie, et se cantonnent à l'échelle cellule ou véhicule.C'est pourquoi, une approche par intégration de modèles à l'ACV a été développée dans cette thèse pour mettre en œuvre une démarche d'écoconception des systèmes batterie dans un contexte de recherche appliquée. Ce travail de thèse cherche ainsi à apporter aux concepteurs batterie une solution pour initier une démarche d'écoconception à l'échelle système.En s'appuyant sur l'expertise et les modèles pluridisciplinaires déjà existants au CEA, a été développée dans cette thèse une architecture de modèles intégrés, intitulée LIFETRAC. Combinaison d'un profil d'utilisation, d'un modèle électrothermique, d'un modèle de vieillissement et d'un modèle environnemental, l'outil permet ainsi d'évaluer simultanément l'influence des paramètres de design d'un pack batterie et de conditions d'utilisation, sur les performances électrothermiques de la batterie, sa durabilité et ses impacts environnementaux. Cet outil a été appliqué à un cas d'étude issu d'un projet industriel, en s'appuyant sur le démontage d'un pack batterie commercial, et de cartographies électriques et de vieillissement des cellules. Trois stratégies de reconception du pack ont ensuite été explorées pour évaluer d'éventuels bénéfices environnementaux : l'allongement de la durée de vie induit par le surdimensionnement compense-t-il les surémissions à la fabrication et à l'utilisation ? Quels bénéfices à thermaliser le pack pendant les phases d'arrêt ? La substitution du casing par des matériaux allégés et biosourcés apportent-ils des gains environnementaux significatifs ?En démontrant la présence de compromis et de transferts d'impacts dans les scénarios envisagés, LIFETRAC a prouvé sa capacité à capter la complexité du système batterie dans l'évaluation environnementale. Il donne ainsi un moyen d'identifier de nouveaux leviers d'écoconception pour un concepteur de systèmes batterie, pour un contexte d'utilisation donné. L'ajout d'un modèle environnemental de soutenabilité absolue, illustre par ailleurs la modularité de l'outil qui peut s'agrémenter de nouveaux modèles selon le besoin. L'ajout de nouvelles bases de données et de modèles permettra d'améliorer la versatilité de l'approche, et sa simplification facilitera son déploiement opérationnel dans les projets du laboratoire et des industriels In a global context of electrification of individual transport, the electric vehicle is at the center of major economic, social, and environmental challenges. Presented as a promising solution to decarbonize the sector and replace thermal vehicles, which are responsible for significant air pollution, the electric vehicle, and particularly its battery, is nonetheless not free from environmental impacts throughout its life cycle.Far from being a simple assembly of electrochemical cells, a battery is a complex system that integrates thermal, electronic, and mechanical components within a pack. Designing such systems requires multidisciplinary expertise, making the integration of environmental considerations in battery research particularly challenging. Traditional ecodesign approaches struggle to capture this complexity, often resulting in an imprecise environmental analysis of batteries. Life Cycle Assessments (LCAs) thus show significant variability in both methodology and results, being particularly sensitive to certain parameters such as the electricity mix or the battery lifespan. To address these gaps, parametric models and battery models have been coupled with LCA, but they typically do not incorporate the influence of pack design parameters on battery lifespan and performance, and are limited to the cell or vehicle scale.This thesis, therefore, develops a model integration approach to LCA in order to implement an ecodesign process for battery systems within an applied research context. The thesis aims to provide battery designers with a solution to initiate an ecodesign approach at the system level.Drawing on the existing multidisciplinary expertise and models at CEA, an integrated model architecture was developed in this thesis, named LIFETRAC. Combining a usage profile, an electrothermal model, an aging model, and an environmental model, the tool allows for the simultaneous evaluation of the influence of battery pack design parameters and usage conditions on the battery's electrothermal performance, durability, and environmental impacts. This tool was applied to a case study from an industrial project, based on the disassembly of a commercial battery pack and electrical and aging cartographies of the cells. Three pack redesign strategies were then explored to assess potential environmental benefits: does the extended lifespan induced by oversizing offset the additional emissions from manufacturing and use? What are the benefits of thermal management during parked phases? Does substituting the casing with lighter, bio-based materials yield significant environmental gains?By demonstrating the presence of trade-offs and impact transfers in the scenarios considered, LIFETRAC has proven its ability to capture the complexity of the battery system in environmental assessments. It thus provides a means for battery system designers to identify new ecodesign levers for a given usage context. Moreover, the addition of an absolute sustainability environmental model to the tool illustrates its modularity, allowing for the inclusion of new models as needed. The integration of additional databases and models will enhance the versatility of the approach, and its simplification will facilitate its operational deployment in laboratory and industrial projects

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Xiong, Bao Kou. "Quantification des gaz générés lors du fonctionnement d'une batterie Li-ion : effet des conditions opératoires et rôle de l'électrolyte." Thesis, Tours, 2018. http://www.theses.fr/2018TOUR4003/document.

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Abstract:

Le fonctionnement des batteries lithium-ion, qu’il soit normal ou dans des conditions abusives, est accompagné d’une génération de gaz en particulier lors des premiers cycles. Celle-ci est intrinsèque au dispositif et est soumise à de nombreux paramètres tels que les matériaux d’électrodes utilisés, l’électrolyte ou encore les conditions opératoires. Cette génération de gaz est délétère : elle conduit à l’augmentation de la pression interne des batteries et pose donc des problèmes de sécurité. Cette étude vise à quantifier les volumes de gaz générés et à comprendre les mécanismes liés à la surpression dans les batteries. A cet effet, le format de batterie « pouch cell » a été adopté tout au long de ce travail de thèse. L’électrolyte choisi est le mélange EC:PC:3DMC + 1 mol.L-1 LiPF6. La première partie de ce travail est dédiée à la mise au point d’un protocole expérimental basé sur (i) l’analyse des matériaux d’électrodes (NMC, LFP, Gr, et LTO), (ii) la solubilité de gaz (O2, H2) comparées à (CO2, CH4) par PVT, et (iii) la quantification des volumes de gaz générés durant le cyclage en pouch cell, corrélée aux performances électrochimiques. Une analyse préalable en demi-piles et en dispositifs complets Gr//NMC et LTO//LFP a également été réalisée afin d’anticiper les performances attendues en pouch cells. Une analyse critique des données (de la littérature et de nos mesures) a permis de définir une procédure optimisée pour obtenir des résultats reproductibles et comparables lors des mesures de volume en pouch cells. La seconde partie de cette thèse consiste en la quantification du volume de gaz produit au cours du cyclage des pouch cells Gr//NMC, Gr//LFP, LTO//LFP et LTO//NMC. Ainsi, les tensions de fin de charge, l’effet du sel et de la température ont été discutés pour dégager les paramètres déterminants dans la génération de gaz en particulier lors de la formation de la SEI. Enfin, une analyse de la composition du gaz récupéré a été effectué par GC-MS et FTIR. A partir de résultats obtenus, des mécanismes ont été proposés et discutés The functioning of lithium-ion batteries, may it be under normal use or under abusive conditions, is accompanied by gas generation, especially during the first cycles. This extent of gas generation is dependent on the choice of electrode materials, the electrolyte, and the operating conditions. This gas generation is detrimental: the build-up of pressure leads to the over-pressure in the battery, raising serious concerns. This study is aimed at understanding the fundamental mechanisms governing these reactions. To do so, the « pouch cell » configuration was adopted throughout this thesis. The electrolyte we worked on is the mixture EC:PC:3DMC + 1 mol.L-1 LiPF6. The first chapter of this work is dedicated to development of an experimental protocol based on (i) the analysis of the electrodes materials (NMC, LFP, Gr and LTO), (ii) the gas solubilities (O2, H2) compared to (CO2, CH4) by PVT method, and (iii) the quantification of the volume of generated gases during the cycling of pouch cells which was correlated to the electrochemical performances. A preliminary analysis of half-cells and full cells Gr//NMC and LTO//LFP were also conducted to foresee the performances of the pouch cells. A critical analysis of data taken from the literature and from our own experiments enabled the optimization of a proper procedure to get reproducible and comparable results. The second part of this thesis consists in the quantification of the volume of gases generated during the cycling of Gr//NMC, Gr//LFP, LTO//LFP and LTO//NMC pouch cells. In that respect, the voltages of the end of charge and the effect of salt and of temperature were discussed to figure out the essential parameters in the gas generation and in particular during the formation of SEI. Lastly, a compositional analysis of gases was performed using GC-MS and FTIR. Based on those results, a mechanism is proposed and discussed herein

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Dissertations / Theses on the topic 'Batterie lithium-ion'

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