Étude de l'impact de la microstructure sur les propriétés effectives électriques des batteries lithium-ion

Study of the microstructure impact on electrical effective properties of lithium-ion composite electrodes

• Auteur / Autrice : François Cadiou
• Direction : Éric Maire, Bernard Lestriez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : MATEIS - Matériaux : Ingénierie et Science - UMR 5510 (Rhône) - Matériaux- ingénierie et science [Villeurbanne] / MATEIS
• Jury : Président / Présidente : Philippe Moreau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Maire, Bernard Lestriez, Philippe Moreau, Sabine Rolland du Roscoat, Alejandro A Franco, Julie Villanova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sabine Rolland du Roscoat, Alejandro A Franco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Microstructure (physique)

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

Matériaux

Batteries Li-Ion

Fib-Sem

Microstructure 3D

Simulation numérique

Fft

Propriétés effectives

Analyse morphologique

Conduction électrique

Segmentation automatique

Performance

Electrode positive

Tomographie par rayon X

Tomographie sériée

Imagerie 3D

Materials

Li-Ion batteries

Fib-Sem

FIB-SEM - Focused ion beam SEM

3D Microstructure

Numerical simulation

Fft

Fast Fourrier Transform

Effective properties

Morphological analysis

Electric Conduction

Automatic Segmentation

Performance

Ion beams

Tomography X

SEM tomography

3D Imaging

Résumé

Cette étude porte sur la compréhension du lien existant entre l’architecture microstructurelle et les propriétés effectives de conductivité dans les électrodes des batteries Li-ion. Les batteries Li-ion sont très intéressantes pour des domaines tels que le transport électrique. En effet, elles présentent une grande densité d’énergie et de puissance ce qui en fait de bons substituts pour les moteurs thermiques. Cependant, même si elles sont maintenant assez largement utilisées dans beaucoup de domaines, il y a toujours besoin d’en optimiser les performances. Ceci passe par une meilleure compréhension de l’impact de la microstructure sur les propriétés effectives pour réduire l’écart entre théorie et pratique. L’attention est portée ici sur les électrodes positives des batteries lithium-ion. Les caractéristiques tridimensionnelles telles que la percolation des phases, leur tortuosité ou encore leurs dimensions caractéristiques ont un fort impact sur les propriétés à l'échelle macroscopique. Leur étude nécessite l’utilisation de techniques d’imagerie 3D comme la tomographie aux rayons X et la tomographie sériée par faisceau d’ions focalisés et MEB (FIB/SEM) pour obtenir des données quantitatives et en interpréter les propriétés de transport de charge. Ces volumes sont alors traités (segmentation et analyses morphologiques) et utilisés comme base pour des simulations numériques. La méthode FFT (Fast Fourrier Transform) avec opérateur de Green « discret » est choisie. Ces simulations permettent, soit de remonter aux propriétés de conduction électrique des phases, à partir de la mesure de la conductivité de l’électrode, par méthode inverse, soit de prédire la conductivité effective de l’électrode, en utilisant des propriétés mesurées expérimentalement sur les phases prises séparément. Les microstructures 3D numériques peuvent également être altérées afin de prédire l’impact, sur ses propriétés effectives, de changements de composition dans la formulation de l’électrode. De nouveaux outils consacrés à la meilleure compréhension de la relation entre microstructure, propriétés effectives et performance des batteries lithium-ion sont développés.

Li-ion batteries are interesting for applications such as electric vehicles. They have indeed a high energy and power density, which makes them good substitutes for internal combustion engines. However, even if they are now quite widely used in many fields, there is still a need to optimize their performance. This requires a better understanding of the impact of the electrodes microstructure on their effective properties to narrow the gap between ideal and practical performance. Three-dimensional characteristics such as the carbon additive percolation or the tortuosity of the porosity have a strong impact on the electrode charge transport properties and power performance. The use of 3D imaging techniques such as X-ray tomography and serial focused ion beam and SEM tomography (FIB/SEM) is very powerful to quantify the electrode microstructures and interpret their charge transport properties. Furthermore, by processing the reconstructed volumes, one can use them as a basis for numerical simulations. We have chosen the FFT (Fast Fourrier Transform) method with "discrete" Green operator for numerical computations. These simulations can either be used to back calculate the phase (active material or conducting additive/binder) conduction properties from macroscopic electrical measurements by inverse method, or to predict the electrode effective conductivity from the phase conductivities. The 3D numerical microstructures obtained can also be modified in order to predict the influence of compositional changes in the electrode formulation on its properties. This study sets new tools to understand better the relationships between microstructure, effective electrical properties and the performance of Li-ion battery composite electrodes.