Modélisation non-entiere d'une batterie ion-lithium avec une anode SiOx-graphite

Fractional Modeling of a Lithium-ion battery with a blended SiOx-graphite anode

• Auteur / Autrice : Sergio Rodriguez Cadavid
• Direction : Jocelyn Sabatier, Christophe Farges
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Productique, Signal et Image, Ingénierie cognitique
• Date : Soutenance le 20/07/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jocelyn Sabatier, Christophe Farges, Marie-Cécile Péra, Alejandro Antonio Franco, Stéphane Rael, Patrick Lanusse, Thierry Poinot, Simon Tippmann
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alejandro Antonio Franco, Stéphane Rael

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Systèmes fractionnaires

Anodes

Mots clés libres

Anodes en siliciium

Modélisation non linéaire

Modèle non entier

Silicon anodes

Fractiional model

Non-Linear modeling

Résumé

La nécessité croissante de réduire les émissions de carbone pousse les constructeurs automobiles à se concentrer de plus en plus sur la production et le développement de voitures électriques et hybrides. Ces véhicules ont besoin de moyens efficaces pour stocker l'énergie électrique afin d'augmenter leur autonomie. Il envisagent pour cela d'utiliser des batteries au lithium avec des anodes à base de silicium (Si) qui sont en fait des versions améliorées des batteries lithium-ion classiques, et dont la commercialisation à déjà débuté. Cependant, le comportement électrochimique du Si diffère fortement de celui du matériau d'anode traditionnel, le graphite. Cela pose un défi majeur pour la conception des systèmes de gestion de batterie (BMS) traditionnels, qui doivent être adaptés pour tenir compte de phénomènes tels que l'hystérésis du potentiel du Si. De plus, les batteries actuellement commercialisées n'utilisent pas du Si pur mais un mélange SiOx-graphite plus stable. Cela signifie que les modèles BMS doivent décrire simultanément le comportement du Si, du graphite et de leurs interactions. Le présent travail vise, dans un premier temps, à donner un aperçu de l'histoire, de la composition, du fonctionnement, de la production et de la modélisation des batteries Li-ion dans le contexte des applications BMS. Ensuite, il se concentre sur le Si et le SiOx en tant que matériau d'anode, donnant des détails sur la compréhension actuelle de la lithiation du Si. Une comparaison entre le Si et le SiOx, ainsi qu'un aperçu de la littérature traitant de la modélisation électrochimique du Si sont également proposés. Les travaux disponibles sur les matériaux à base de graphite et de Si sont également présentés. Ensuite, ce travail présente les résultats de plusieurs campagnes expérimentales réalisées sur du Si, du SiO, des demi-cellules mélangées et des cellules commerciales avec une anode SiO-graphite. Ces expériences ont été réalisées par plusieurs équipes de Robert Bosch GmbH, et fournissent de nouvelles informations importantes sur le comportement électrochimique du Si, en comblant les lacunes de la littérature et en remettant en question certains des résultats déjà rapportés. Ensuite, l'équilibrage des électrodes à base d'un mélange SiOx-graphite est analysé et plusieurs stratégies pour trouver l'équilibrage des cellules à partir des mesures d'OCV sont développées. Enfin, deux approches de modélisation différentes sont proposées. Elles prennent en compte les nouveaux comportements cellulaires sans ajouter de complexité significative par rapport aux modèles BMS conventionnels. Ces nouvelles stratégies de modélisation montrent une amélioration significative par rapport aux modèles ECM et fractionnaires plus traditionnels, en particulier dans leur capacité à capturer la tension en circuit ouvert de la cellule.

With the rising need to reduce the carbon emissions, car producers focus more and more on the production and development of electric and hybrid cars. These vehicles need efficient ways to storage the electric energy in order to increase their autonomy, lithium batteries with silicon-based anodes are an improvement on the current lithium battery generation and are starting to be implemented on commercial Li-ion cells. However, the Si electrochemical behavior differs greatly from that of the traditional anode material, graphite. This poses a challenge to traditional battery management system (BMS) models, which need to be adapted to account for phenomena like the silicon potential hysteresis. Additionally, today commercial batteries do not use Si alone but a SiOx-graphite blend, which is more stable. This means that BMS models have to describe the Si, graphite and their interactions.The present work aims to, firstly, give an overview on the Li-ion battery history, composition, production operation, and modeling in the context of BMS applications. Then we will focus on the Si and SiOx as anode material, giving a report on the current understanding of the Si lithiation and electrochemical behavior, a comparison between Si and SiOx and an overview of the literature addressing the electrochemical modeling of Si. The available works on blended graphite and Si-based materials are also presented. Then, we present the results of several experimental campaigns performed on Si, SiO and blended half cells and commercial cells with a SiO-graphite anode. These experiments were performed by several teams across Robert Bosch GmbH, ours included, and give important new information on the electrochemical behavior of Si, addressing gaps in the literature and questioning some of the already reported results. Next, the electrode balancing of blended SiOx-graphite is evaluated and several strategies to find the cell balancing from OCV measurements are developed. Finally, we propose two different modeling approaches that take into account the new cell behaviors without adding significant complexity when compared to conventional BMS models. These novel modeling strategies show a significant improvement over more traditional ECM and fractional models, especially in their capacity to capture the cell open circuit voltage.