Traçabilité électrique des mesures d'impédance électrochimique des supercondensateurs et des ba[...]

Traçabilité électrique des mesures d'impédance électrochimique des supercondensateurs et des batteries Li-ion,, ile-de-france, fr

Laboratoire National de Métrologie et d'Essais (LNE)

ile-de-france, fr, France

Description

du sujet

La métrologie des systèmes électrochimiques: un enjeu industriel, commercial et sociétal

Les batteries lithium-ion (LIB) sont devenues l'une des principales solutions de stockage de l'énergie électrique. Les capacités et les caractéristiques de chacune varient en fonction des matériaux qui les composent. En stockage stationnaire, les batteries LIB peuvent être utilisées chez les particuliers pour alimenter des véhicules électriques ou pour l’autoconsommation photovoltaïque. Elles forment ainsi un élément primordial des réseaux électriques intelligents. De nombreux matériaux innovants ont été développés et commercialisés par l'industrie. Ces développements ont notamment permis de réaliser d'énormes progrès sur les matériaux utilisés dans les batteries LIB. Une batterie LIB est caractérisée principalement par les indicateurs d'état : état de charge (SoC), de santé (SoH) et de fonctionnement (SoF). D’autres paramètres sont importants à caractériser comme la température, la durée des essais à basse fréquence, les validités des modèles de vieillissement à forts courants, le volume de stockage des données générées et la validité des mesures simultanées sur plusieurs cellules. Les supercondensateurs sont utilisés également pour le stockage de l'énergie électrique, ils permettent d'obtenir une densité de puissance et d'énergie intermédiaires entre les batteries et les capacités électrolytiques classiques. Une partie de la charge est électrostatique et correspond à un système linéaire avec de faibles constantes de temps. Une autre partie de la charge est électrochimique et correspond à un système non linéaire avec hystérésis et de plus grandes constantes de temps. La non-linéarité des supercondensateurs est moins importante que les batteries.

Les avancées technologiques récentes dans la conception des éléments électrochimiques (batteries et supercondensateurs) ont permis d’augmenter, à la fois, le rendement énergétique des éléments de stockage d’énergie électrique et leur impact écologique. Dans le secteur automobile, l’utilisation des batteries LIB comme système de stockage d’énergie est en croissance ainsi que le niveau d’exigences associé à leur utilisation. Chaque batterie est composée de plusieurs packs rassemblant plusieurs cellules. Les cellules ayant des caractéristiques proches sont rassemblées dans un même pack afin de garantir les meilleures performances et une durée de vie élevée de la batterie. Les indicateurs d'état (SoC, SoH et SoF) de chaque cellule sont déterminés et implantés dans un système de gestion dénommé BMS (Battery Management System). La détermination optimale de ces indicateurs dès la fabrication permet d’obtenir une durée longue de première vie des batteries tout en garantissant un fonctionnement sûr. Actuellement, la qualité des mesures des caractéristiques des batteries LIB fabriquées, voire même des cellules ou des packs, reste insuffisante. Ceci peut conduire à une fin prématurée de la première vie des LIB encore utilisables ou à un fonctionnement des LIB dans un régime peu sécurisé. L’impact écologique des batteries LIB est également un aspect important à prendre en compte pour atteindre les objectifs de réduction de CO2fixés par l'Union européenne. La caractérisation optimale des batteries LIB permettra de prolonger leur durée de vie. Si les usages se modifient profondément, en diminuant le nombre de véhicules en fonctionnement et en réduisant la consommation énergétique, l’augmentation de la durée de vie permettra de réduire le nombre de batteries produites et utilisées. Dans la plupart des applications industrielles, les incertitudes sur la détermination des indicateurs d’état d’une batterie, le cas aussi des supercondensateurs, sont majorées (approximativement, 3 %) afin d’éviter l’utilisation de LIB dans un régime non sécurisé et d’éviter de mettre potentiellement en danger la vie des utilisateurs.

La détermination des caractéristiques des systèmes électrochimiques (batteries et supercondensateurs) implique la prise en considération de nombreux phénomènes interconnectés et indépendants. Actuellement, la traçabilité des mesures des caractéristiques des systèmes électrochimiques reste insuffisante pour les applications de stockage de l’énergie. En Europe, aucun laboratoire national de métrologie ne dispose d’aptitudes en matière de mesure et d’étalonnage (déclarées dans la base internationale du BIPM) pour les caractéristiques d’un système électrochimique. Alors que l'industrie spécifiera, par exemple, les formats, il incombe à la métrologie de fournir les paramètres de mesure requis. Dans ce contexte, le développement d’une infrastructure métrologique pour caractériser des systèmes électrochimiques, principalement des batteries LIB et des supercondensateurs est primordial.

Objectifs de ce travail de recherche

L’objectif de ce sujet de thèse est de développer une infrastructure métrologique pour la caractérisation des éléments électrochimiques, en commençant par les supercondensateurs afin de valider la conception du banc pour les différentes approches et méthodes de mesure dans les domaines temporel et fréquentiel. Les supercondensateurs sont caractérisés par une moindre non-linéarité que celle des cellules électrochimiques des batteries. Un bilan d’incertitude des mesures sera établi.

Ce bilan prendra en compte l’influence de la définition métrologique de l’impédance mesurée et également l’influence des différents phénomènes perturbateurs de différentes méthodes de caractérisation comme: l’influence de la température, l’influence d’une hystérésis sur les mesures faites en spectroscopie d’impédance (EIS), le changement du sens du courant ou de la tension notamment avec des ondes sinusoïdales, l’influence des effets retards des réponses des éléments électrochimiques pour des excitations sinusoïdales qui sont en constante évolution, l’influence de la méthode de stabilisation, et les temps de récupération dans chaque méthode de caractérisation.

Ensuite, une étude similaire sera réalisée pour les cellules électrochimiques de batteries sous leurs trois formes standards les plus utilisées en industrie: pouch, prismatique et cylindrique. Le travail se poursuivra par une caractérisation métrologique approfondie d’une cellule à 3 électrodes afin de réduire les incertitudes et obtenir une caractérisation optimale de la cellule notamment pour les fabricants des batteries. Afin de finaliser le bilan d’incertitude de mesure, une analyse statistique des résultats de mesure sera effectuée et comparée aux résultats issus de calculs par des modèles d’identification thermoélectrique. Les résultats issus de cette thèse seront validés par des mesures de comparaison inter-laboratoires avec des collaborateurs industriels et universitaires en utilisant le même protocole de mesure à établir dans le cadre de la thèse et en propageant les incertitudes de chaque mesure. Des comparaisons inter-laboratoires seront également menées sur des modules et packs des batteries LIB dans les conditions réelles d’utilisation. Cette étude pourra probablement faire l’objet d’un dépôt de CMCs (Calibration and Measurement Capabilities) sur la mesure des caractéristiques des systèmes électrochimiques.

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Cifre

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Thèse CIFRE 3 ans #J-18808-Ljbffr