Thèse CIFRE - Mécanismes de vieillissement des électrodes à base de silicium pour batteries Li-ion : caractérisation et modélisation (H/F)

Description de l'offre

Company

AMPERE s.a.s.

Job Description

Contexte

L'omniprésence des cellules lithium-ion dans le domaine du stockage de l'énergie se justifient par les besoins croissants en véhicules électriques. Cependant, malgré leur succès indéniable, les batteries lithium-ion sont confrontées à des défis techniques pouvant conduire à des dégradations irréversibles (décollement, cracking, perte de contact de la matière active,…). Le gonflement irréversible des batteries (swelling) lithium-ion 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 micro-structuraux à l'origine du gonflement des cellules lithium-ion, et de relier la dégradation mécanique à la perte de capacité de la cellule.

Vos missions au de cette thèse

Les principaux axes de travail de cette thèse s'articulent comme suit:

- Réalisation d'une étude bibliographique portant sur la physico-chimie 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 au sein d'Ampère au Technocentre de Guyancourt ou en encore au Centre Technique de Lardy.

Votre profil

Vous êtes diplômé(e) de BAC+5 d'école d'ingénieur ou Master 2 avec une formation à dominante mécanique et/ou science des matériaux . Une spécialisation en Stockage de l'énergie serait un réel plus, notamment un projet en école, mastère, projet de fin d'étude. En effet, une notions sur les batteries de traction et l’électrochimie seraient appréciées.Vous avez des connaissance générales sur le fonctionnement d'un véhicule électrique et une bonne compréhension de la durabilité des cellules de batterie.

Aptitudes personnelles souhaitées : Vous avez le goût pour les essais, pour la réalisation de prototype et pour la modélisation. Votre autonomie, sens critique, curiosité et rigueur scientifique sont clés de succès pour cette thèse

références

[1] E Michelini et al., Experimental Investigation on Reversible Swelling Mechanisms of Lithium-Ion Batteries under a Varying Preload Force – Batteries 9(4),218, 2023

[2] Ben R, N Garcia-Araez, A review of gaz evolution in li-ion batteries – Energy reports 6 10-18, 2020

[3] Schmitt et al., Measurement of gas pressure inside large-format prismatic lithium-ion cells during operation and cycle aging, Journal of power sources 478, 2020

[4] Oh et al., Phenomenological force and swelling models for rechargeable lithium-ion battery cells, Journal of Power Sources, Volume 310, 2016,Pages 118-129

[5] Yangzheng Cao et al., Modeling, validation, and analysis of swelling behaviors of lithium-ion batteries,Journal of Energy Storage,Volume 74, Part B,2023

[6] Sauerteig et al, Electrochemical-mechanical coupled modeling and parameterization of swelling and ionic transport in lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, Volume 378, 2018, Pages 235-247

[7] Chen et al, Mechanical-electrochemical modeling of silicon-graphite composite anode for lithium-ion batteries, Journal of Power Sources, Volume 527, 2022

Job Family

Transverse

Contract Duration

36 months

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