Étude fondamentale de matériaux cathode pour batteries au lithium au cours d’une excessive lithiation et applications pour le paramétrage du système de contrôle avancé des batteries (battery management system)

Fundamental investigation of cathode materials upon deep lithiation for advanced battery management system parametrization

• Auteur / Autrice : Camille Usubelli
• Direction : Aziz Dinia
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 26/07/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Elena R. Savinova
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maureen Tang, Jin Suntivich

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piles au lithium

Cathodes

Mots clés libres

Batteries lithium ion

Cathode NMC

Overlithiation

Courbe OCP

Système avancé de gestion des batteries

Lithium ion battery

NMC cathode

Overlithiation

OCP curve determination

Advanced battery management system

Résumé

Une étude des matériaux cathode à base de Ni a été réalisée dans une fenêtre de potentiel étendue de 4,4 V a ~ 0.8 V vs Li/Li+. Les différences observées par électrochimie sont interprétées avec les changements de structure du matériau et les changements de valence des métaux de transition. La lithiation a xLi = 1 s’avère entièrement réversible, tandis que les changements dus à la lithiation excessive a xLi = 2 déclenchent une perte de capacité irréversible. L’identification d’une stabilité des matériaux NMC entre 4,4 V et xLi = 1 a été mise à profit pour développer une nouvelle méthode permettant de caractériser le potentiel « open-circuit » en fonction de la quantité de lithium (courbe OCP). Cette courbe OCP est un paramètre clé pour le système de gestion avance des batteries et celle nouvelle méthode permet d’accéder a des informations supplémentaires dans les régions riches en lithium ainsi qu’a un réglage plus précis de l’abscisse.

A fundamental investigation of Ni-based layered cathode materials was done in an extended potential window of 4.4 V to ~0.8 V vs Li/Li+. The differences in the lithiation profile observed with electrochemistry were linked to structural changes in the material and valence changes of the transition metals. The lithiation to xLi = 1 was shown to be fully reversible whereas the changes occurring in the structure of the materials upon deep lithiation to xLi = 2 triggered irreversible capacity loss.The identification of an extended stable cycling window up to xLi = 1 for the NMC materials was leveraged to develop a new method to characterize the open-circuit potential as a function of the lithiation content (OCP curve). This OCP curve is a key parameter for the parametrization of the advanced battery management system, and this new method allows access to additional information in the tail region as well as a more precise setting of the x-axis.