Simulations multi-échelles de la cinétique dans les matériaux pour l'énergie : le silicium solaire et les composés d'intercalation pour les batteries lithium-ions

par Gilles Brenet

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Pascal Pochet.

Soutenue le 10-05-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratory of atomistic simulation (laboratoire) .

Le président du jury était Noël Jakse.

Le jury était composé de Frédéric Soisson, Damien Caliste.

Les rapporteurs étaient Guy Tréglia, Marie-Liesse Doublet.


  • Résumé

    La production et le stockage de l'énergie est un grand défi de notre société. Les propriétés de certains matériaux sont dues principalement aux défauts qu'ils contiennent. Afin d'améliorer les matériaux que nous utilisons, il est nécessaire de pouvoir les modéliser. Ce travail est centré sur l'étude de divers défauts dans deux matériaux, le silicium et le graphite lithié. Au travers de la simulation multi-échelles, nous modélisons les défauts et leur cinétique, afin de pouvoir prédire leur formation mais aussi leur vieillissement.La première partie est centrée sur les différentes méthodes que nous avons employées. Ces méthodes sont réparties dans trois catégories, qui donnent accès chacune à une échelle de simulation. En démarrant sur des modèles électroniques et des simulations textit{ab initio}, nous avons pu mener des simulations atomistiques grâce à des algorithme stochastiques. Ces résultats ont ensuite mené vers des modèles macroscopiques, afin de pouvoir les comparer aux résultats expérimentaux.La seconde partie développe nos analyse sur les défauts ponctuels dans le silicium : carbones, oxygènes, lacunes et interstitiels. Ces défauts se regroupent et forment des complexes dans le silicium irradié. En analysant le comportement de ces complexes à l'échelle atomique, nous avons pu construire un modèle permettant de simuler la cinétique de multiples défauts, ainsi que la chaîne de réactions, sur plusieurs dizaines d'années. Ainsi, il est possible de déterminer les conditions permettant un meilleur contrôle de la formation et du vieillissement des complexes.La dernière partie présente l'analyse du graphite lithié. Ce composant de base des batteries lithium-ion est du graphite dans lequel s'intercale des atomes de lithium lors de la charge. La cinétique de la charge prédit le regroupement des atomes en îles, qui se déplacent lors de la charge. La propagation des atomes de lithium des bords de l'électrode vers le centre du graphite est également analysé.

  • Titre traduit

    Multi-scale simulations of kinetics in energy materials : solar silicon and intercalation compounds for li-ion batteries


  • Résumé

    Energy production and storage is a big challenge in our society. The properties of some materials are mainly due to the defects therein. To improve the materials we use, it is necessary to be able to model them. This work focuses on the study of various defects in both materials, silicon and lithium graphite. Through the multi-scale simulation, we model the defects and their kinetics in order to predict their formation but also aging.The first part focuses on the various methods we used. These methods are divided into three categories, each providing access to a simulation scale. By starting on electronic models with textit{ab initio} simulations, we were able to simulate defects behavior with atomistic simulations using stochastic algorithm. These results then led to macroscopic models, in order to compare our simulations with the experimental results.The second part develops our analysis of point defects in silicon: carbon, oxygen, vacancies and interstitials. These defects gather and form complexes in the irradiated silicon. By analyzing the behavior of these complexes at the atomic scale, we could build a model to simulate the kinetics of multiple defects, and the reaction chain, over several decades. Thus, it is possible to determine the conditions for greater control of the formation and aging of various complexes.The last part presents the analysis of lithium graphite. This component of lithium-ion batteries is made of graphite in which lithium atoms intercalate during charging. The kinetics of the charging predicts the grouping of lithium atoms in islands, which move during charging. The lithium atoms diffusion from the edges of the electrode towards the center of the graphite is also analyzed.


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