Analyse expérimentale et modélisation multiphysique des phénomènes couplés électrochimiques et thermomécaniques lors d'une recharge ultrarapide de cellules au lithium

Experimental analysis and multiphysical modeling of coupled electrochemical and thermomechanical phenomena during ultrafast lithium cell recharge

• Auteur / Autrice : Alain Goussian
• Direction : Sylvain Franger, Loic Assaud, Issam Baghdadi, Emmanuelle Lancelle-Beltran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 05/04/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences chimiques : molécules, matériaux, instrumentation et biosystèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....) - Stellantis
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Chimie (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Christel Laberty-Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Croguennec, Bernard Lestriez, Olivier Hubert, Pascal Venet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Croguennec, Bernard Lestriez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Identification des systèmes

Multiphysique

Piles électriques

Mots clés libres

Energie

Modélisation multiphysique

Batteries

Charge rapide

Identification paramétrique

Couplage

Energy

Multiphysics modeling

Battery

Fast charge

Parametrization

Coupling

Résumé

Dans le contexte de la transition énergétique et afin de répondre aux nouvelles réglementations quant à la réduction des émissions de gaz à effet de serre, l'industrie automobile s'est quasi-unanimement orientée vers la motorisation électrique à batterie. Néanmoins, pour parfaire ce choix de réorientation, il importe de mieux comprendre la constitution et le fonctionnement des dites batteries en amont et leurs contraintes d'usages en aval. Dans le cadre de ce travail de thèse, la première étape a consisté à décrire un modèle physique de cellules électrochimiques de type lithium-ion selon des lois physiques puis à identifier ses paramètres propres afin de calibrer ce modèle sur la base d'une cellule cible choisie. La description mathématique du modèle a cherché à étendre, par le couplage, le cœur électrochimique de ce dernier aux aspects thermiques et mécaniques. L'identification des paramètres inhérents au modèle a permis de mettre en lumière les limites d'accessibilité de certaines grandeurs ainsi que nos limites en matière de connaissances quant à la modélisation d'un système complexe et couplé. Dans un second temps, une fois le modèle accepté, il a été utilisé dans l'optique de développer un protocole de recharge rapide efficace, basé sur les limites physiques du système rendu accessible par le modèle. Une analyse de sensibilité paramétrique des caractéristiques géométriques a alors été conduite afin d'observer les pistes d'améliorations quant à la performance de recharge rapide. Il en a résulté l'identification de configurations géométriques optimales offrant un meilleur compromis entre densité d'énergie et vitesse de charge souvent perçues comme deux caractéristiques discordantes. Par ailleurs, les cyclages successifs de charge rapide ont révélé l'apparition d'un phénomène provoquant une dégradation localisée de la cellule. En effet, les contraintes appliquées par le boîtier prismatique sur les électrodes induisent, sur le long terme, un décollement des électrodes et du séparateur local qui conduit à un refoulement du flux ionique. Ce défaut induit alors une déposition fortement localisée de lithium métallique sur l'électrode négative pouvant conduire à une mort subite prématurée. Au regard de l'ensemble des résultats observés, ces travaux ont permis notamment de mettre le doigt sur les enjeux propres à la modélisation des batteries et ses couplages, et sur l'importance du défi à relever quant à la compréhension des mécanismes secondaires, notamment de dégradation, qui apparaissent lors d'usages à fortes contraintes comme la recharge ultrarapide.

In the context of the energy transition and in order to meet new regulations regarding the reduction of greenhouse gas emissions, the automotive industry has almost unanimously oriented itself towards battery-powered electric vehicles. Nevertheless, to perfect this choice of reorientation, it is important to better understand the constitution and operation of these batteries upstream and their usage constraints downstream. As part of this thesis work, the first step consisted in describing a physical model of lithium-ion type electrochemical cells according to physical laws and then in identifying its own parameters in order to calibrate this model on the basis of a target cell. chosen. The mathematical description of the model sought to extend, through coupling, the electrochemical heart of the latter to the thermal and mechanical aspects. The identification of the parameters inherent to the model has made it possible to highlight the limits of accessibility of certain quantities as well as our limits in terms of knowledge regarding the modeling of a complex and coupled system. In a second step, once the model was accepted, it was used to develop an efficient fast charging protocol, based on the physical limits of the system made accessible by the model. A parametric sensitivity analysis of the geometric characteristics was then conducted in order to observe the avenues for improvement in the fast charging performance. This resulted in the identification of optimal geometric configurations offering a better compromise between energy density and charging speed often perceived as two discordant characteristics. In addition, the successive cycles of fast charge revealed the appearance of a phenomenon causing localized degradation of the cell. Indeed, the stresses applied by the prismatic casing on the electrodes induce, in the long term, a delamination of the electrodes and of the local separator which leads to a lateral reflux of the ion flux. This defect then induces a highly localized deposition of metallic lithium on the side of the negative electrode which can lead to sudden premature death. In view of all the results observed, this work has made it possible in particular to pinpoint the issues specific to the modeling of batteries and their couplings, and the importance of the challenge to be taken up with regard to the understanding of secondary mechanisms, in particular of degradation, which appear during use with strong constraints such as ultra-fast charging.