Thèse cifre mécanismes de vieillissement des électrodes à base de silicium pour batteries liion : caractérisation et modélisation (h/f)

Contexte L'omniprésence des cellules lithiumion dans le domaine du stockage de l'énergie se justifient par les besoins croissants en véhicules électriques. Cependant, malgré leur succès indéniable, les batteries lithiumion sont confrontées à des défis techniques pouvant conduire à des dégradations irréversibles (décollement, cracking, perte de contact de la matière activeLe gonflement irréversible des batteries (swelling) lithiumion est la source principale de ces dégradations sachant que le silicium à l'anode est estimé conduire à plus de gonflement que le graphite. Le swelling entraîne des déformations mécaniques permanentes dans la structure de la batterie qui engendre une perte de capacité. L'enjeu dans la conception d'une batterie est de prendre également en compte ses contraintes à l'échelle de la particule pour garantir une bonne durée de vie. Etat de l'art Plusieurs facteurs et conditions peuvent induire le gonflement : Décomposition électrolytique : L'électrolyte à l'intérieur de la batterie est un composant essentiel qui facilite les réactions électrochimiques. Cependant, dans certaines conditions, une fraction de l'électrolyte peut se décomposer en gaz, ce qui entraîne une augmentation de la pression interne et éventuellement un gonflement.[2] Température : Les batteries peuvent chauffer en raison de conditions de charge ou de décharge inappropriées et donc générer des gaz supplémentaires et augmenter la pression interne, ce qui peut ainsi entraîner un gonflement [3] Dégradation des matériaux : Au fil du temps et de nombreux cycles de charge et de décharge, les électrodes de la batterie peuvent être soumises à de la décohésion (collecteur de courant /électrodes et/ou électrodes/séparateur) et à de la fissuration de particules de matière active. [2] Du point de vue de la modélisation, le gonflement est traité suivant différentes approches : Oh et al [4] propose un modèle phénoménologique unidimensionnel, purement mécanique et élastique linéaire. Le comportement mécanique du matériau est décrit via une raideur simple et l'électrochimie n'est pas pris en compte. Cao et al [5] propose un modèle poussé mécaniquement qui prend en compte la viscosité des électrodes sans lien avec l'électrochimie et qui décrit la contrainte et la déformation de compression et qui déduit la contrainte de Von Mises ; utilisée comme critère pour dimensionner les matériaux et les structures. Le couplage électro mécanique est implémenté différemment pour Sauteig [6] qui propose une dépendance du swelling à la concentration de lithium et à la porosité via un couplage faible (de l'électrochimie vers la mécanique et non l'inverse). Ce modèle est purement élastique avec des électrodes considérées comme homogène isotrope. Chen [7] développe un modèle décrivant le swelling sur anode composite Silicium/Graphite avec une approche multiphysique et multiéchelle. Cependant le modèle purement élastique reste encore insuffisant pour décrire la compression d'une électrode poreuse. Enjeux et objectif Cette thèse adresse donc de nombreux verrous scientifiques : Comprendre les mécanismes à l'origine du gonflement des batteries et comment ils interagissent avec la structure interne de la batterie. Développer des méthodes de caractérisation avancées pour surveiller l'évolution du gonflement des batteries à différentes échelles de temps et d'espace. Développer un modèle numérique permettant de prédire la dégradation mécanique de l'électrode Proposer des stratégies de conception de batteries pour minimiser le risque de gonflement et améliorer la sécurité des batteries. L'objectif est donc d'étudier en détail les mécanismes microstructuraux à l'origine du gonflement des cellules lithiumion, et de relier la dégradation mécanique à la perte de capacité de la cellule. au de cette thèse Les principaux axes de travail de cette thèse s'articulent comme suit: Réalisation d'une étude bibliographique portant sur la physicochimie du Silicium, l'électrochimie des systèmes de stockage d'énergie et la caractérisation des propriétés mécaniques des cellules de batterie. Des éléments de la littérature portant sur les différents modèles multi physiques et multi échelles d'endommagement sont aussi attendus. Développement de techniques analytiques pour évaluer le gonflement : Les outils de caractérisation mécanique du gonflement seront à coupler avec les moyens d'observation des cyclages des cellule de batterie sous pression. Le niveau de compression de la cellule et le suivi de la température sont aussi à intégrer. Construction d'un modèle numérique (éléments finis) reproduisant le gonflement et l'état de contrainte de l'électrode. Votre environnement Cette thèse CIFRE se déroulera majoritairement au sein du laboratoire MATEIS (INSA Lyon). Il est envisagé des points de passage et/ou des essais