Modélisation multi-physique de l'électrode de graphite au sein d'une batterie lithium-ion : Etude des hétérogénéités et des mécanismes de vieillissement

par Nicolas Dufour

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Yann Bultel.

Le président du jury était Sylvain Franger.

Le jury était composé de Nathalie Legrand.

Les rapporteurs étaient Charles Delacourt, Stéphane Rael.


  • Résumé

    L’électrode négative des batteries lithium-ion est communément en graphite. Bien qu’ayant une capacité spécifique intéressante, le vieillissement, la cinétique d’intercalation et le transport du lithium à la fois dans le matériau actif et les porosités de l’électrode limitent son fonctionnement optimal et homogène. Dans ce travail de thèse, les mécanismes à l’origine de ces limites sont explicités grâce à un modèle multi-physique de type électrode poreuse.Une étude de sensibilité des paramètres du modèle a montré l’importance des paramètres liés à la cinétique d’intercalation et au transport du lithium en phase solide et liquide. L’exploitation du modèle, validé expérimentalement, montre que, lors du fonctionnement de l’électrode, les apparences d’hétérogénéité de lithiation sont corrélées à la forme particulière du potentiel d’équilibre du graphite vis-à-vis de son taux de lithiation. La modélisation de la distribution de taille des particules, amplifie grandement ces hétérogénéités et dégrade fortement la performance globale de l’électrode. En première approche, une mesure operando de la distribution des états de lithiation confirme l’aspect hétérogène du fonctionnement de l’électrode.Les données des performances en cyclages et en calendaire de cellules graphite-NMC ont permis de construire différents modèles de vieillissement de l’électrode. La croissance de la couche de passivation (SEI) peut expliquer à elle seule la perte de lithium cyclable. Les hétérogénéités de SEI obtenues par le modèle sont négligeables en l’état. Les gains de capacités et les pertes brutales sont expliqués respectivement par des mécanismes de dissolution de SEI et de formation de lithium-plating.

  • Titre traduit

    Physics-based modeling of graphite electrode inside Lithium-ion battery : Study of heterogeneities and aging mechanisms.


  • Résumé

    Negative electrodes of lithium-ion batteries are mainly based on graphite, because of their good electrochemical properties. Unfortunately, intercalation kinetics, aging phenomena and lithium transport through active material and electrode porosity decay the optimal and homogeneous operations of this electrode. Origins of these limits are investigated in this work thanks to a porous electrode model.A sensitivity study indicates that preponderant model parameters are related to the kinetics and lithium transport in solid and liquid phases. The model is experimentally validated at a cell scale and predicts the appearances of lithium heterogeneities during the graphite lithiation. They are correlated to the staged shape of the graphite equilibrium potential. Modeling additional inhomogeneity sources, especially particle distribution, amplifies these heterogeneities and decrease drastically cell performance. In a first approach, an operando measure of the local lithiation state confirms this heterogeneity aspect during operations.In a second part, data of cycled and calendar aged graphite-NMC cell validates different aging models. The growth of the passive layer on the graphite surface (SEI) explains the cyclable lithium loss on its own. SEI heterogeneities are negligible in the porous model as opposition to experimental finding. Capacity recoveries and sudden loss are explained respectively via a SEI dissolution mechanism and lithium-plating correlated to the degradation of the electrode transport properties.


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