Analyse du comportement mécanique d'une monocellule et de ses interfaces pour optimiser la performance de batterie tout-solide

Analysis of the mechanical behavior of a single cell and its interfaces to optimize the performance of solid-state batteries

• Auteur / Autrice : Florian Martins
• Direction : Patrice Mélé
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2023
• 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.

Mots clés

Mots clés libres

Batterie Tout-Solide

Méthodologies Expérimentales

Analyse par éléments finis

Comportement Mécanique

Procédé d'assemblage

Pouch Cell

Solid-State Batterie

Experimental Methodologies

Finite Elements Analysis

Mechanical Behavior

Assembly Process

Pouch Cell

Résumé

Le projet SEATBELT a pour objectif de développer une batterie tout-solide au lithium métal avec un électrolyte hybride. Les batteries tout-solides sont considérées aujourd'hui comme l'une des solutions les plus prometteuses pour atteindre les objectifs fixés par l'Europe en termes de densité d'énergie, surpassant les performances de toutes les technologies actuelles pour les applications stationnaires et de mobilité. Le remplacement de l'électrolyte liquide par une membrane solide pose cependant de nouveaux défis. Dans une architecture entièrement solide, la qualité des interfaces entre les différents matériaux de la cellule et de la batterie joue un jeu primordial sur ses performances électrochimiques, dépendante également de l'état mécanique de ses différents composants. L'un des enjeux de cette nouvelle génération de batteries consiste ainsi à accroitre ses performances, tout en s'assurant de leur stabilité électromécanique. Dans ce contexte, cette thèse est basée sur une analyse numérique et expérimentale du comportement mécanique d'une mono-cellule (ou « pouch cell ») de batterie tout-solide, qui sera développée dans le cadre du projet SEATBELT. Le développement d'un modèle mécanique, via une analyse par éléments finis réalisée à l'aide du logiciel COMSOL, sera effectué en premier lieu. Ce modèle sera basé sur la géométrie réelle d'une « pouch-cell », comprenant ses différentes couches ainsi que différentes conditions d'interfaces (collées, glissantes ou présentant un coefficient de frottement). Les nouveaux matériaux développés dans le cadre du projet SEATBELT seront caractérisés et leurs propriétés seront implémentées dans le modèle numérique. Des mesures expérimentales seront in fine mises en place pour comparer les comportements mécaniques expérimentaux et prédits à l'aide du modèle numérique. En étroite collaboration avec le laboratoire 3SR, des caractérisations morphologiques par tomographie aux rayons X et aux neutrons seront réalisées sur la mono-cellule sous sollicitation mécanique. Une attention particulière sera portée sur les mécanismes de dégradation intervenant dans la mono-cellule lors de sa sollicitation, en nous servant notamment des mesures des champs de déplacement et de déformation. Le dernier volet de cette étude sera consacré à la mise en œuvre de mesures couplées électromécaniques afin d'analyser l'influence de la génération de contraintes ou de déformations sur la performance de la cellule puis de la batterie. L'ensemble des résultats expérimentaux et numériques acquis dans cette étude permettra de valider non seulement le choix des matériaux développés pour la nouvelle génération de batteries mais également de proposer un mode d'assemblage optimisé pour atteindre les performances visées dans le cadre du projet SEATBELT.

The SEATBELT project aims to develop a solid-state lithium metal battery with in-situ hybrid electrolyte. Solid-state batteries are considered today as one of the most promising solutions to reach the energy density targets set by Europe, outperforming all current technologies for stationary and mobility applications. However, replacing the liquid electrolyte with a solid-state membrane poses new challenges. In an entirely solid-state architecture, the quality of the interfaces between the different materials of the cell plays a crucial role in its electrochemical performance, which also depends on the mechanical state of the different cell components. One of the challenges of this new generation of batteries is to increase their performance, while ensuring their electromechanical stability. In this context, this thesis is based on a numerical and experimental analysis of the mechanical behavior of a single cell (or pouch cell) of a solid-state battery, which will be developed in the framework of the SEATBELT project. The development of a mechanical model, via a finite element analysis performed with the COMSOL software, will be carried out in the first place. This model will be based on the real geometry of a pouch cell, including its different layers and materials as well as different interface conditions (bonded, sliding or with a friction coefficient). The new materials developed in the SEATBELT project will be characterized and their properties will be implemented in the numerical model. Experimental measurements will be carried out in order to compare the experimental and predicted mechanical behaviors. In close collaboration with the laboratory 3SR, morphological characterizations by X-ray and neutron tomography will be performed on the pouch cell under mechanical stress. Particular attention will be paid to the degradation mechanisms occurring in the pouch cell during its solicitation, using in particular the measurements of the displacement and deformation fields. The last part of the study will be devoted to the implementation of coupled electromechanical measurements in order to analyze the influence of the generation of stresses or strains in the pouch cell on its performance. All the experimental and numerical results acquired in this study will allow to validate not only the choice of the materials developed for the new generation of batteries but also to propose an optimized assembly mode to reach the performances targeted in the SEATBELT project.