Compréhension et modélisation du court-circuit interne dans les batteries lithium ion

Understanding and modeling the internal short-circuit in lithium ion batteries

• Auteur / Autrice : Rita Salloum
• Direction : Mathieu Morcrette
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie-Génie Electrochimique-25DCH0
• Date : Inscription en doctorat le 28/02/2022
• Etablissement(s) : Amiens
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens ; 1968-....)

Mots clés

Mots clés libres

Batterie lithium-ion

Emballement thermique

Court-circuit interne

Modélisation multiphysique multi échelle

Lithium-ion battery

Thermal runaway

Internal short-circuit

Multiphysics multiscale modeling

Résumé

Le stockage de l'énergie électrique est devenu un enjeu mondial et un défi majeur. En particulier, dans le cadre des besoins de stockage d'énergie liés au développement des véhicules électrifiés et des énergies renouvelables intermittentes, de nombreuses études s'intéressent aux batteries Li-ion. Garantir la sécurité des batteries Li-ion est clé pour leur déploiement dans des systèmes embarqués (automobile, vélo, avions, …). Cette thèse a pour objectif de comprendre et de modéliser le phénomène d'emballement thermique des batteries Li-ion initié par un court-circuit interne, en prenant en compte l'influence de la technologie et du vieillissement. Elle fait suite aux travaux IFPEN précédents qui ont permis de mettre en place une méthodologie pour modéliser l'emballement thermique des batteries Li-ion neuves et vieillies à l'échelle de la cellule. Cette thèse va permettre d'enrichir les modèles IFPEN en intégrant les mécanismes réactionnels liés au court-circuit interne, en s'appuyant sur une méthodologie expérimentale adaptée assurant le déclenchement du court-circuit d'une manière contrôlable et répétable. Mettre en œuvre une telle méthodologie originale devrait permettre d'aller plus loin dans la compréhension du phénomène d'emballement thermique à l'échelle de la cellule pour identifier quelle est l'influence de la nature du court-circuit interne et quels mécanismes et cinétiques liés à une initiation par court-circuit interne sont mis en jeu. L'objectif sera également d'élargir l'approche de modélisation en intégrant au modèle 3D existant développé à IFPEN un sous modèle décrivant le mécanisme réactionnel lié au court-circuit interne. Il en résultera un modèle capable de rendre compte le déclenchement de l'emballement sous conditions thermiques et électriques et en fonction de l'état de vieillissement. Le projet de cette thèse propose une étude originale combinant expérimentation-modélisation, où l'étude expérimentale servira à la compréhension phénoménologique, à l'extension du modèle, enfin à sa calibration puis à sa validation grâce à des essais ciblés conduits dans des conditions abusives sur des cellules « modèle » pour commencer puis sur des cellules commerciales.

The electrochemical storage of electrical energy has become a global issue and a major challenge. Li-ion batteries are considered as the preferred solution to store energy on board of new generation of electric and hybrid vehicles or to manage renewable energy in stationary applications. Safe batteries systems still keep today the weakest link in the development of many energy or power demanding applications (vehicle, bike, aircraft, ). This thesis aims to understand and model the phenomenon of thermal runaway in Li-ion batteries initiated by an internal short-circuit, taking into account the influence of the technology and the aging. It is based on previous IFPEN works that have developed a methodology to model the thermal runaway of fresh and aged Li-ion batteries at cell level. This thesis will extend the IFPEN models by integrating the reaction mechanism related to the internal short-circuit relying on an adapted experimental methodology. It should be able to trigger an internal short circuit in a controllable and repeatable manner. Developing such an original methodology should go further in understanding the phenomenon of thermal runaway at the cell level to identify the mechanism and kinetics of the internal short-circuit and evaluate its influence on the cell behavior during thermal runaway. The objective will also be oriented towards improving the modeling approach by integrating a sub-model describing the reaction mechanism related to the internal short-circuit to the existing 3D model developed at IFPEN. These improvements will result in a 3D multiphysics multiscale model able to predict the cell response during thermal runaway initiated under both thermal and electrical conditions. In addition, this model will allow to study the aging impact on thermal runaway initiated by internal short-circuit. This thesis project offers an original approach combining experimental and modeling study. The experimental study will serve the phenomenological understanding and the extension of the model. While the abuse tests conducted will help in the calibration and validation of the developed model.