L'évaluation de l'impact du transport avec inertie sur la réponse électrochimique des batteries à ion lithium

Evaluating the impact of transport with inertia on the electrochemical response of lithium ion battery electrodes

• Auteur / Autrice : Mariem Maiza
• Direction : Alejandro Antonio Franco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie. Chimie Informatique Théorique
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Société des accumulateurs fixes et de traction (Bordeaux)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alejandro Antonio Franco, Christine Lefrou, Miran Gaberšček, Jean-Paul Chehab, Christian Jallut, Nathalie Legrand, Dinh An Nguyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Lefrou, Miran Gaberšček

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance chimique

Graphite

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Maillage 3D

PITT

Batteries à ion lithium

Résumé

L'invention des batteries au lithium (LIBs) a déclenché le déploiement massif de technologies portables et encourage de nos jours l'électrification du transport. Ceci mène au besoin de LIBs avec une densité d'énergie encore plus importante, des temps de recharge plus court, un coût plus faible et une sécurité maximale. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat se concentre sur la modélisation présentant un outil pour caractériser et simuler les performances de LIB sous des conditions dynamiques pour des applications de puissance. Un nouveau modèle mathématique représentant l'inertie de transport du lithium avec l'approche de Maxwell-Cattaneo-Vernotte est proposé. L'implication de ce modèle dans la simulation sur la réponse dynamique de LIBs sous des pulsations de courant est exploré. Ce modèle est construit avec une approche multi échelle et démontré pour des matériaux actifs de type graphite pour les électrodes négatives. Tout d'abord, un modèle analytique est développé pour extraire et caractériser la diffusion du lithium ainsi que l'inertie dans le matériau actif de l'expérience de PITT. Les valeurs extraites sont par la suite intégrées dans des modèles de demi-cellule pour calibrer la réponse expérimentale en courant. Une étude comparative des modèles p-2D et 3D réalisés de manière systématique. Les résultats montrent l'implication de la diffusion inter-particule sur la performance de LIB aussi bien que la dynamique onduleuse de transport du lithium dans la phase solide soulignant fortement l'inhomogénéité/anisotropie de la dispersion du lithium dans le graphite à une échelle macroscopique. Finalement, la faisabilité d'intégrer le modèle proposé dans un modèle de cellule complète est explorée

The invention of the lithium ion batteries (LIBs) triggered the massive deployment of portable technologies, and is nowadays encouraging the electrification of the transportation. This leads to the need of LIBs with even higher energy densities, shorter recharging times, lower cost and maximal safety. This PhD thesis focuses on computational modeling as a tool to characterize and simulate the LIB operation under dynamical conditions representative of power applications. It proposes a new mathematical model accounting for lithium transport inertia within the Maxwell-Cattaneo-Vernotte framework, and explores its implications for the simulation of the dynamical response of LIBs to current pulses. This model is built through a multiscale approach and demonstrated for graphitic active materials for negative electrodes. First, an analytical model is derived to extract and characterize lithium diffusion and inertia in the active material from PITT experiments. Extracted values are then used in a half cell model to fit experimental current evolution curves, through p-2D and 3D-resolved models which are comparatively investigated. The results show the implication of inter-particle diffusion on the performance of the LIB as well as the wavy lithium transport dynamics in the solid phase emphasizing the inhomogeneous/anisotropic lithium dispersion in the graphitic material at a macroscopic level. Finally, the feasibility of utilizing such a model for complete cell simulations is investigated