Thèse soutenue

Modélisation du procédé de fabrication des batteries lithium-ion : impact de la mésostructure de l'électrode sur sa performance électrochimique
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Auteur / Autrice : Mehdi Chouchane
Direction : Alejandro Antonio Franco
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Chimie. Génie électrochimique
Date : Soutenance le 19/11/2021
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)
Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Chehab
Examinateurs / Examinatrices : Simon Thiele
Rapporteurs / Rapporteuses : Qiong Cai, Paul Shearing

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Ce projet de thèse s'inscrit dans le projet ERC ARTISTIC dont l'objectif est de développer une plateforme de simulation prédictive des procédés de fabrication des électrodes de batterie lithium ion. Cette thèse consiste à développer un simulateur dynamique avec résolution spatiale 3D de la performance électrochimique des électrodes de batterie lithium ion. Ce simulateur utilise des électrodes issues de simulations physiques, de générations stochastiques ou bien d'images tomographiques, et repose sur la méthode d'éléments finis dans le logiciel Comsol Multiphysics. L'ensemble des travaux a pour objectif d'établir des liens entre des observables de la mésostructure d'une électrode à ses performances électrochimiques. L'apport de cette thèse vis-à-vis de l'état de l’art consiste en la considération explicite de la phase carbone et binder au sein du système modélisé, ainsi qu'en l'étude de l'interphase se formant à l'interface entre le matériau actif et l'électrolyte. Plusieurs algorithmes ont été développés au cours de cette thèse pour répondre aux problématiques qui se posent lors de l'inclusion de manière explicite de la phase inactive dans un modèle électrochimique 3-D. En particulier une fonctionnalité permettant la génération stochastique d'électrodes avec un fin contrôle sur ses paramètres tels que la distribution de taille ou la morphologie des particules actives et la morphologie du domaine carbone et binder, ainsi qu'un algorithme permettant le maillage d'un nombre indéfini de phase ainsi que la sauvegarde du maillage en un format favorisant l'importation dans le logiciel Comsol Multiphysics. Toutes ces fonctionnalités ont été inclues dans une seule interface graphique afin de rendre leur utilisation plus intuitive. Enfin, des études portant sur le rôle de la phase inactive et l'impact de son emplacement sur la comportement d'une électrode en décharge ont été menées, ainsi que des travaux sur l'impact de certaines propriétés de la mésostructure sur la performance d'une batterie. L'interface solide électrolyte résultant de la décomposition de l'électrolyte a également été étudiée pour des matériaux actifs d'électrodes négatives et positives. Pour conclure, un modèle de batterie complète est présenté et démontre la pertinence des outils développés et présentés dans ce manuscrit pour réaliser des simulations au niveau voire au-delà de l'état-de-l'art. En effet, ce modèle est illustré à travers la décharge d'une batterie complète avec toutes les particules de matériaux actifs individuellement identifiés, ce qui permet donc d'avoir accès individuellement à leurs observables et de ce fait avoir un suivi plus fin de l'évolution de la batterie en fonctionnement