Etude du vieillissement des batteries lithium-ion en charge rapide/froide et développement de stratégies d'utilisation pour prolonger leur durée de vie

Study of the aging of lithium-ion batteries in fast/cold charge and development of strategies to extend their life span

• Auteur / Autrice : Léa Bucher
• Direction : Jean-Michel Vinassa, Olivier Briat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Inscription en doctorat le 18/09/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'Intégration du Matériau au Système
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Puissance

Mots clés

Mots clés libres

Stockage électrochimique

Défis technologiques

Batteries lithium-ion

Vieillissement

Electrochemical storage

Technological challenges

Lithium-ion batteries

Ageing

Résumé

La gestion de la charge des systèmes de stockage d'énergie utilisant des batteries Li-ion dans les applications stationnaires est un point critique pour maximiser la durée de vie des batteries dites de 1ère vie et de 2nde vie. En effet, l'utilisation de régime de charge non adapté peut conduire à une accélération du vieillissement, appelé aussi « knee points » comme cela a pu être observé dans la campagne d'essais (COMUTES). Le phénomène de dépôt de lithium métallique sur l'électrode négative est probablement à l'origine de cette accélération et le seuil de déclenchement reste encore difficile à prédire au cours de la durée de vie de la batterie. La compréhension et la modélisation de ce phénomène est donc un enjeu crucial pour limiter son apparition par le biais de stratégies d'utilisation adaptées. L'objectif de la thèse est de modéliser le phénomène d'initiation et de propagation du dépôt de lithium métallique sur l'électrode négative au cours de la durée de vie d'une batterie. L'approche de modélisation envisagée consiste à développer un modèle de comportement dits « à deux électrodes » couplant les aspects électro-thermiques, vieillissement et déformation de la cellule. La composante de modélisation du phénomène de plating sera ensuite ajoutée sur cette base. L'exploitation du modèle consistera à prédire le comportement en vieillissement pour un protocole donné et de proposer des protocoles de charges adaptés prenant en compte l'état de santé de la batterie.

Managing the charge of BESS (Battery Energy Storage System) in stationary applications is a critical point for maximizing the life of so-called 1st life and 2nd life batteries. Indeed, the use of an unsuitable charging rate can lead to an acceleration of aging, also called “knee points” as observed in the test campaign (COMUTES). The phenomenon of lithium plating is probably the cause of this acceleration and the triggering threshold remains difficult to predict during the life of the battery. Understanding and modeling this phenomenon is therefore a crucial issue in order to limit its appearance through appropriate use strategies. The objective of the thesis is to model the phenomenon of initiation and propagation of lithium plating during the lifetime of a battery. The modeling approach consists in developing a so-called “two-electrode” behavior model coupling the electro-thermal, aging and deformation aspects of the cell. The modeling component of the plating phenomenon will then be added on this basis. The exploitation of the model will consist in predicting the aging behavior for a given protocol and proposing suitable charging protocols taking into account the state of health of the battery.