Détection optique pour le diagnostic des batteries

Operando optical sensing for battery diagnosis

• Auteur / Autrice : Laura Albero Blanquer
• Direction : Jean-Marie Tarascon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 08/07/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie du solide et de l'énergie (Paris ; 2014-....)
• Jury : Président / Présidente : Mathieu Salanne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Quetel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mathieu Morcrette, Patrik Johansson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseau de Bragg

Capteurs optiques

Énergie -- Stockage

Batteries lithium-ion

Propriétés physico-chimiques

Accumulateurs

Mots clés libres

Capteurs optiques

Surveillance operando

Capteurs à réseau de Bragg

Calorimétrie

Problèmes chimio-mécaniques

Batteries

Optical sensors

Operando monitoring

Bragg grating sensors

Calorimetry

Chemo-mechanical issues

Batteries

Résumé

Les batteries, qui constituent l'une des technologies de stockage d'énergie les plus polyvalentes, sont essentielles dans un large spectre d'applications telles que les réseaux électriques, l'aérospatiale, la robotique, et les véhicules électriques. Cette dépendance rend la qualité, la fiabilité, la durée de vie et la sécurité des batteries immensément plus importantes que jamais. Cela confirme la nécessité de surveiller avec précision l'état fonctionnel des batteries et appelle donc au développement de techniques de détection intelligente dans ces dispositifs. Cette thèse vise à explorer ce sujet en utilisant des capteurs à fibre optique à réseau de Bragg (FBG). Pour commencer, nous donnons un aperçu historique de l'évolution de la surveillance des batteries, avant de nous concentrer sur la détection optique. Ensuite, nous démontrons la faisabilité de l'incorporation de capteurs FBG à l'intérieur de cellules cylindriques et de poches commerciales pour effectuer une calorimétrie optique. Ensuite, en utilisant le même capteur optique, on étudie la contrainte chimico-mécanique qui se produit au niveau de l'électrode dans des cellules contenant un électrolyte liquide ou solide. Pour la validation du concept, des électrodes en alliage de Li qui présentent d'importants changements de volume lors de l'insertion ou du retrait de Li sont sélectionnées. Au cours de cette thèse, le signal optique surveillé pendant le cyclage de la batterie est traduit soit en température, pression ou stress et corrélé avec le profil de voltage. Enfin, ce travail propose une technique operando avec une utilisation potentiellement efficace pour le diagnostic des cellules et le design des batteries.

Rechargeable batteries, as one of the most versatile energy storage technologies, are essential in a broad range of applications such as power grids, aerospace, robotics, consumer electronics, and electric vehicles. Such dependence makes battery quality, reliability, lifetime, and safety (QRLS) immensely more important than ever before. This underlines the need to accurately monitor the batteries’ functional status and therefore calls for the development of non-invasive operando techniques that could inject smart sensing functionalities into these dynamic electrochemical devices directly from inside. This is exactly what this thesis aims to explore by using optical fiber Bragg grating (FBG) sensors. To begin with, we first provide an historical overview of the evolution of battery monitoring, before focusing on optical sensing. Then, we demonstrate the feasibility of incorporating FBG sensors inside commercial pouch and cylindrical cells to perform optical calorimetry, hence assessing chemical events such as solid electrolyte interphase formation or thermodynamic parameters. Next, by using the same optical sensor, the chemo-mechanical stress occurring at the electrode level in cells containing either liquid or solid-state electrolyte is investigated. For proof-of-concept, Li-alloying electrodes that undergo large volume changes upon Li uptake or removal are selected. More specifically, throughout this thesis the optical signal monitored during battery cycling is translated into either temperature, pressure or stress and correlated with the voltage profile. To sum up, this work proposes an operando technique with potential use in cell diagnosis and battery designs.