Modeling the internal inhomogeneous aging behavior in large-format commercial Li-ion batteries

par Venkat Nehru Bandla

Thèse de doctorat en Chimie. Génie électrochimique

Sous la direction de Charles Delacourt et de Martin Petit.

Soutenue le 19-10-2018

à Amiens , dans le cadre de École doctorale Sciences, technologie et santé (Amiens) , en partenariat avec Laboratoire de réactivité et chimie des solides (Amiens) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    La modélisation du comportement de vieillissement inhomogène interne dans les batteries Li-ion commerciales grand format


  • Résumé

    Les batteries Li-ion (LIB) sont utilisées comme dispositifs de stockage d'énergie dans les applications automobiles, mobiles ou stationnaire. Cependant, leur vieillissement conduisant à une dégradation de leur performance reste un problème majeur. Les LIB présentent un comportement non uniforme qui entraîne une utilisation incomplète et un vieillissement non uniforme. L'objectif de ce travail est donc d'identifier les facteurs influençant le comportement inhomogène et d'étudier leur effet sur le vieillissement. Une approche combinée modèle/expérimentation est adoptée. Un dispositif expérimental a été développé pour simuler les dispersions thermiques et de potentiels dans les batteries Li-ion commerciales. Ce dispositif est utilisé pour effectuer des tests en cyclage et le vieillissement inhomogène est évalué par des tests de caractérisation effectués pendant et après le cyclage. Des modèles multi-physiques décrivant le comportement des LIB ont été développés pour représenter le comportement du système expérimental. Deux phénomènes de vieillissement identifiés expérimentalement sont pris en compte, à savoir la formation d'une couche de SEI (Solid Electrolyte Interface) et la perte de matière active d'électrode positive. Le premier est fortement dépendant de la température et le second est plus uniforme. Cette approche combinée a permis de montrer que la dispersion thermique avait plus d'impact que les différences de potentiel sur l'homogénéité du vieillissement


  • Résumé

    Li-ion batteries (LIB) are used as energy storage devices in automobile, mobile and stationary applications. However their lifetime issue is a primary concern resulting in a decreased performance. Li-ion batteries exhibit non-uniform behavior that results in incomplete utilization of the cell energy and non-uniform aging. Thus the objective of this work is to identify the factors influencing the inhomogeneous behavior and to study their effect on aging. A combined modeling and experimental approach is adopted in this work. In the experimental work, a setup is developed that surrogates the thermal and potential gradients occurring in commercial LIB. This setup is used to perform long-term accelerated cycling tests and inhomogeneous aging behavior is assessed. Several characterization tests are performed during and after the completion of the cycling. In the modeling part, multiphysics models describing the electrochemical, electrical and thermal behavior of LIB are developed. These models are appropriately coupled integrated with an aging component to represent the experimental setup behavior. Two main degradation phenomena, namely SEI (Solid Electrolyte Interface) formation and positive electrode active material have been identified experimentally and modelled. The latter is uniform whereas the former is influenced by temperature. Based on this, thermal dispersion impact on the inhomogeneity is greater than potential dispersion


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