Évaluation des performances électrochimiques de batteries lithium-ion et mesures de leurs propriétés de transport par RMN haut champ

Evaluation of electrochemical performance of lithium-ion batteries and measurements of their transport properties by high-field NMR

• Auteur / Autrice : Sacris Jeru Tambio
• Direction : Bernard Lestriez, Michaël Deschamps
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Matériaux Jean Rouxel (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Laure Monconduit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Willy Porcher, Alejandro Antonio Franco
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laure Monconduit, Fannie Alloin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conduction ionique

Électrochimie industrielle

Batteries lithium-ion

Mots clés libres

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Résumé

Les applications automobiles des batteries lithium-ion exigent deux caractéristiques principales : le kilométrage (énergie) et le couple (puissance). La demande en énergie peut être facilement obtenue en augmentant le grammage des électrodes. Cependant, la puissance souffre du fait que l'épaisseur accrue des électrodes augmente la longueur du trajet pour le transport des ions, ce qui constitue le principal facteur limitant pour un fonctionnement correct à des densités de courant élevées. Cette étude traite de l’influence des paramètres d'électrode sur les performances électrochimiques, en particulier à des densités de courant élevées. Des cyclages électrochimiques en conjonction avec la RMN PFG-SE ont été réalisés pour identifier les limitations de performances et pour étudier la diffusion des ions dans la porosité de l'électrode. Les mesures électrochimiques révèlent que la conductivité intrinsèque du matériau actif détermine les performances à faibles densités de courant et au début de la charge grâce via la résistance de polarisation. Aux fortes densités de courant, un grammage élevé et l'obstruction du réseau CB-PVdF entravent le transport des ions. Ceci est bien illustré par notre modèle analytique qui relie les différents paramètres de l’électrode à la densité de courant critique. Les mesures de RMN confortent l'hypothèse selon laquelle une teneur accrue en CB-PVdF augmente la tortuosité en raison de toutes les interactions de ces additifs avec les espèces de l’électrolyte.

Automotive applications of Lithium ion batteries demand two key characteristics: mileage (energy) and torque (power). Energy demand can be simple achieved by increasing electrode mass loadings. However, power suffers due to that increased electrode thickness increases the path length for ion transport, which is the key limiting factor for proper functioning at high current densities. This study deals with how the different electrode parameters affect electrochemical performance especially at high current densities. Electrochemical cycling in conjunction PFG-SE NMR were done to pinpoint performance limitations and to study ion diffusion within the electrode porosity. Electrochemical measurements reveal that at low rates the intrinsic conductivity of the active material dicates performance through the polarization resistance. At high current densities, increased mass loading and obstruction from the CB-PVdF network hampers ion transport. This is best illustrated by our analytical model which relates the various electrode parameters with the maximum working rate. NMR measurements support the hypothesis that increased CB-PVdF content increases tortuosity due to any existing interactions between the electrolyte species and these additives.