Etude des processus limitant la puissance au sein des batteries Li-ion

Study of limiting processes of power performance within Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Mohamed Raghibi
• Direction : Renaud Bouchet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/02/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Electrochimie et de Physico-Chimie des Matériaux et des Interfaces.
• Jury : Président / Présidente : Marian Chatenet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Renaud Bouchet, Sylvain Franger, Marion Chandesris, Laurence Croguennec, Dominic Bresser
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvain Franger, Dominic Bresser

Mots clés

Mots clés libres

Batterie au Li

Processus de diffusion

Transport/transfère de charge

Electrochimie

Performance en puissance

Stockage d'énergie

Battery

Diffusion processes

Charge transport/transfer

Electrochemistry

Power performance

Energy storage

Résumé

De nos jours, grâce à de nombreux avantages, notamment une haute densité d’énergie, une longue durée de vie, et un rendement élevé, les batteries Li-ion sont prédominantes pour alimenter les appareils électroniques comme les téléphones et ordinateurs portables. De plus, leur utilisation s’est élargie à grande échelle comme système de stockage d’énergie pour les véhicules électrifiés et les applications stationnaires. Néanmoins, pour répondre aux exigences du marché du transport électrique et étendre la pénétration des batteries au Li dans ce secteur, des améliorations sont nécessaires, notamment en termes de densité d’énergie, de sécurité, et de durée de vie. En plus du développement de matériaux actifs, plusieurs approches sont proposées et étudiées en vue d’augmenter l’autonomie des batteries. Parmi elles, une consiste à optimiser le design de l'électrode composite à savoir la porosité, le grammage, la composition et la microstructure. Cela revient à augmenter le ratio des matériaux actifs (épaisseur d’électrode positive et négative) par rapport aux autres composants inactifs à savoir les collecteurs de courant et le séparateur. Cependant, pour les électrodes fortement grammées la capacité de décharge devient limitée par le transport de charges au sein de l’électrode, notamment à fort courant, ce qui implique une forte diminution de la densité de puissance. Ce projet de thèse a pour but d’étudier la capacité restituée dans les batteries au Li en fonction du design de l’électrode, à savoir la formulation (microstructure), la composition chimique (nature des matériaux actifs), le grammage et la porosité, mais aussi la température de travail. Pour cela, deux matériaux d’électrode positive seront étudiés à savoir LiFePO4 (LFP) et LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC 811), des électrodes à différents grammages (0.4 et 3.4 mAh.cm-2), et compositions, sont formulées et calandrées pour atteindre des porosités variées (20 à 50 %). La morphologie et la surface spécifique des matériaux actifs et des électrodes est investiguée via des analyses MEB, Granulométrique et BET. Ensuite, les performances en puissance de la batterie, capacité vs densité de courant, sont établies en utilisant un protocole de cyclage spécifique, permettant la détermination d’une densité de courant limite (Jlim) qui est relié au coefficient de diffusion effectif (Deff) correspondant au processus de transport limitant. En plus, la résistance de transfère de charge (Rct) en fonction de la stœchiométrie est aussi rapportée en couplant le GITT et l’EIS afin de capturer les processus physico-chimiques mis en jeu lors du fonctionnement de la batterie. Enfin, la corrélation entre le design de l’électrode, la température et les paramètres électrochimiques effectifs tel que le Deff, Jlim, and Rct seront discutés.

Li-ion batteries have become a necessity in human daily life as the most versatile, efficient and performing energy storage & conversion technology, they power our nomad electronic, cars and buffer the renewable intermittent energy sources. However, improvement of current battery systems is needed to meet the requirements of the transport sector in terms of energy density, safety, and cycle life. Besides the active materials, among the strategies to increase battery autonomy, one consists in optimizing the design parameters of the electrode such as the formulation, loading, microstructure, and porosity. The idea is simply to increase the ratio of active materials (negative and positive electrode thickness) to inactive components (separator, current collector ). However, by doing so, the output power density becomes strongly limited by the charge transport within the composite electrodes, notably at high current densities. In this PhD work, Li-battery capacity is investigated as a function of the current density with respect to electrode design parameters such as porosity, formulation, loading, and microstructure as well as temperature. For this purpose, LiFePO4 (LFP) and LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2 (NMC 811) based positive electrodes were formulated at different loadings (from 0.4 to 3.4 mAh.cm-2), compositions (Active material%, Carbon%, PVDF binder %), and calendered to reach different porosities (from 20 to 50 %). The microstructure and specific area of the active materials and the electrodes are fully characterized by SEM, Granulometry and BET. Then, the battery power performance, capacity as a function of discharge current, is fully captured and analyzed using a time-saving methodology which enables the determination of a limiting current density (Jlim) and the extraction of an effective diffusion coefficient (Deff) corresponding to the limiting transport process. In addition, the charge transfer resistance (Rct) as a function of the state of charge (SOC) is also reported by coupling GITT and EIS allowing to capture of the physico-chemical processes at stake during the battery cycling. Afterwards, the correlation between design parameters, the temperature and the effective electrochemical parameters such as Deff, Jlim, and Rct is discussed.