A coupled modeling-experimental study of Li-air Batteries

par Yinghui Yin

Thèse de doctorat en Chimie. Chimie des solides et sciences des matériaux

Sous la direction de Alejandro Antonio Franco et de Dominique Larcher.

Le président du jury était David Loffreda.

Le jury était composé de Alejandro Antonio Franco, Dominique Larcher, Frédéric Favier, Wolfgang Bessler, Fanny Bardé.

Les rapporteurs étaient Frédéric Favier, Wolfgang Bessler.


  • Résumé

    En raison de leur capacité théorique élevée, les batteries Li-air ont été considérées comme des dispositifs de stockage d'énergie prometteurs depuis leur invention. Cependant, la grande complexité de ces dispositifs a entravé leur application pratique. En plus, les résultats expérimentaux et les théories mécanistes rapportés dans la littérature sont épars et ajoutent des difficultés pour développer une compréhension globale de leurs principes de fonctionnement. Le travail accompli dans cette thèse repose sur la combinaison de deux approches : la modélisation et l'expérimentation, non pas dans le but d'avoir une adéquation parfaite entre simulation et expérience mais afin de mieux comprendre le lien entre les différents mécanismes mis en jeux. Un modèle de déchargé, basé sur une approche continuum et rassemblant théorie de la nucléation, description des réactions cinétiques et du transport de masse, a été développé. Le modèle permet d'étudier simultanément l'impact de la densité de courant, des propriétés de l'électrolyte et des propriétés de surface de l'électrode sur le procédé de décharge des batteries Li-air permettant ainsi une meilleure compréhension. De plus, le modèle de charge développé lors de cette thèse, met en lumière la corrélation entre la distribution des tailles de particules de Li2O2 et le profil de recharge obtenu. Finalement, afin d'étudier ces batteries au niveau mésoscopique, un modèle de cinétique Monte-Carlo a été créé et permet de comprendre les processus de décharge dans des espaces confinés


  • Résumé

    Due to their high theoretical capacity, Li-air batteries (LABs) have been considered as promising energy storage devices since their invention. However, the high complexity of these devices has impeded their practical application. Moreover, the scattered experimental results and mechanistic theories reported in literature, add difficulties to develop a comprehensive understanding of their operation principles. The work accomplished in this thesis constitutes an effort to entangle the complexity of LABs through the combination of modeling approaches with experiments, with the focus on getting better understanding about the mechanisms interplays, rather than pursuing a perfect quantitative match between simulation and experimental results. Based on continuum approach, a discharge model has been developed combining the nucleation theory, reaction kinetics and mass transport. This model converged the impacts of current density, electrolyte property and electrode surface property on the discharge process of LABs to a comprehensive theory. Furthermore, a charge model has been developed to address the important role of Li2O2 particle size distribution in determining the shape of recharge profile. In addition, to investigate the LAB system at mesoscale, a kinetic Monte Carlo (KMC) model has been build and the simulation results provided insights into the discharge process in confined environment at local level


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