Batteries lithium-ion : application et compréhension de contre-mesures au gonflement des cellules induit par la génération de gaz

Understanding and counteracting gas generation-induced high energy lithium-ion batteries swelling

• Auteur / Autrice : Baptiste Salomez
• Direction : Stéphane Laruelle
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie-Chimie des Solides et Sciences des Matériaux-25DCH1
• Date : Inscription en doctorat le 06/01/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences, Technologie, Santé
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LRCS - Laboratoire de Réactivité et de Chimie des Solides

Mots clés

Mots clés libres

Génération de gaz

Batterie lithium-ion

Nmc

Dégradation

Battery gassing

Lithium-ion battery

Nmc

Degradation

Résumé

La plupart des véhicules électriques possèdent une batterie Li-ion à base du matériau de cathode NMC. Cependant, cette technologie est encore perfectible. En effet, lors de leur utilisation, du gaz est généré. Il peut avoir comme origine la dégradation de l'électrolyte, des impuretés présentes sur la cathode, ou encore la déstructuration de la cathode avec la libération d'oxygène singulet. Ce gaz n'est pas seulement pénalisant pour les performances de la batterie (augmentation de la résistance interne…), mais il induit également des contraintes mécaniques au niveau de la structure des modules, pouvant aller jusqu'à leur endommagement. Or afin d'augmenter l'autonomie des véhicules électriques, la tendance actuelle est d'augmenter le taux de nickel. Hélas, on observe une aggravation du phénomène de dégagement de gaz. L'objectif premier de la thèse sera de mieux caractériser la génération/consommation des gaz lors d'un cyclage et/ou stockage long. Le but de cette caractérisation est de déterminer les conditions dans lesquelles on observe une production maximale de gaz et de mieux comprendre ou de mettre en exergue les mécanismes liés à cette production. Pour ce faire, le doctorant devra mettre au point une cellule permettant l'analyse de la pression et la quantification des gaz par chromatographie en phase gazeuse couplée à un détecteur BID (Barrier Ionisation Detector). A partir des résultats obtenus, le doctorant recherchera et appliquera des contre-mesures permettant de réduire la génération de gaz. Parmi les solutions existantes, le doctorant explorera trois pistes : les additifs, le coating des particules actives et l'utilisation de NMC monocristallins.

Most of the current electric vehicles are powered with NMC cathode-containing Li-ion batteries. With the aim of improving their energy density, tendency is to increase the nickel content towards NMC811 composition. However, this technology suffers from a gas generation issue originating from electrolyte degradation, impurities present on the NMC surface and structural changes releasing highly reactive singlet oxygen. This gas not only penalizes battery performances (increase in internal resistance, etc.), but also induces mechanical strain within the modules. The first objective of the thesis will be to better characterize the generation/consumption of gases during cycling and calendaring with a view to determine conditions under which a maximum gas amount is produced and find out underlying mechanisms. To do this, the PhD student will develop a cell allowing the pressure analysis and the gases quantification by gas chromatography coupled to a BID detector (Barrier Ionization Detector). From the results, the PhD student will research and apply chemical and/or electrochemical countermeasures to mitigate gas generation. Among the existing chemical solutions, the student will explore three solutions: additives, the active particle coating and use of monocrystalline NMCs.