Corrélation entre dégradation des composants internes et sécurité de fonctionnement des batteries Li-ion

Correlation between degradation of internal components and operational safety of Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Xavier Fleury
• Direction : Pierre-Xavier Thivel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 26/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Venet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fannie Alloin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Tran-Van, Rémi Dedryvère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détérioration

Piles électriques

Mots clés libres

Batteries Li-Ion

Sécurité

Dégradation

Li-Ion batteries

Safety

Degradation

Résumé

Les batteries lithium-ion sont présentes dans de nombreuses applications portables ou embarquées car leurs énergies massique et volumique et leur cyclabilité les placent en tête des autres technologies de stockage. Cependant, elles ne résistent pas aux fonctionnements abusifs et peuvent subir des emballements thermiques avec risque d’explosion. Par ailleurs, l’état des composants internes évoluant au cours du vieillissement de la batterie, son comportement en sécurité doit être considéré pour n'importe quel état de santé afin de mieux concevoir la gestion thermique des cellules et du pack batterie. Dans ce contexte, il est donc primordial de comprendre les mécanismes de dégradation de l’ensemble des composants internes d’un élément (matériaux d'électrodes, collecteurs, séparateur et électrolyte) lors d’un vieillissement en fonctionnement normal et le déroulement des évènements en conditions abusives pouvant aboutir à un scénario accidentel.Le séparateur doit alors être considéré comme le premier dispositif de sécurité intrinsèque car il assure la séparation physique entre l’électrode positive et négative. Il doit alors être étudié sur le plan de ses propriétés électrochimiques, mécaniques et thermiques. Pour cela, une méthodologie de caractérisation a été développée, mettant en œuvre un large panel de techniques de caractérisation physique et chimique, et appliquée sur des séparateurs issus de vieillissements en conditions normales et après surcharge. Différentes méthodes de lavage ont permis de discréditer l’évolution morphologique et électrochimique du polymère poreux sans l’interaction des résidus solides associées aux produits de dégradation de l’électrolyte. Ainsi, la porosité et la tortuosité de la matrice polymère, associées à la conductivité ionique du système séparateur/électrolyte, ont été pleinement étudiées.Il a pu être montré que, en accord avec la croissance de la SEI sur l’électrode négative graphite, sa porosité de surface se dégrade avec un encrassement des pores par accumulation de composés solides de la SEI. Aucune conséquence sur les propriétés mécaniques n’a été observée, mais les performances électrochimiques en puissance se dégradent fortement. Une évaluation face aux risques de court-circuit interne par percée dendritique a permis de montrer que la formation de dendrite est favorisée. Le séparateur en tant qu’organe de sécurité face aux risques mécaniques garde donc son efficacité tout au long de la vie de la batterie lithium-ion mais le risque de court-circuit est plus élevé.

Lithium-ion batteries have undeniable assets to meet several of the requirements for embedded applications. They provide high energy density and long cycle life. Nevertheless, they can face irreversible damage during their lives which could cause safety issues like the thermal runaway of the battery and its explosion. It is then essential to understand the degradation mechanisms of all the internal components of an accumulator (i.e. electrode materials, collectors, separator and electrolyte) and the progress of events in abusive conditions that can lead to an accident scenario. The aim of this thesis is to work on the security aspects of Lithium-ion batteries in order to understand these degradation mechanisms and to help to prevent future incidents.Even if the degradation mechanisms of all the internal components are studied in this work, a special attention is given to the separator. This component is indeed one of the most important safety devices of a battery and have to be electrochemically, mechanically and thermally characterized after ageing. Different washing methods have been study in order to characterize the separator without any degradation product of the electrolyte which could interfere. Porosity and tortuosity associated with the ionic conductivity of the separator have been tested.The results show that even if the separator is electrochemically inactive, its porosity can decrease because of the degradation of the negative graphite electrode. Indeed, SEI components obstruct the surface porosity of the separator. This porosity change do not cause any mechanical degradation but decrease separator performances at high current rate and promote lithium dendrite growth.