Caractérisation 3D et modélisation multi-échelle des matériaux actifs de batteries

3D characterization and multiscale modeling of batteries' active materials

• Auteur / Autrice : Youcef Kerdja
• Direction : Sébastien Martinet, Marion Chandesris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 21/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Yann Bultel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Martinet, Philippe Desprez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dany Carlier-Larregaray, Vincent Vivier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopes électroniques à balayage

Batteries

Mots clés libres

Batteries Li-Ion

Modélisation multi-Physiques

Imagerie microscopique

Microstructure

Li-Ion Batteries

Multi-Physics Modeling

Microscopy Imaging

Microstructure

Résumé

Quatre matériaux actifs de batteries Li-ion de type NMC (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) ayant la même composition chimique, mais des microstructures différentes ont été synthétisés puis mis en œuvre sous forme d’électrodes composites afin de quantifier l’impact de la microstructure sur leurs performances électrochimiques. La tomographie FIB-SEM a été utilisée afin d’imager ces différentes microstructures. Les résultats 3D obtenus sur deux de nos matériaux permettent de montrer le lien entre tortuosité ionique et capacités en décharge. Des images 2D de ces microstructures ont été également extraites afin d’aller au-delà des mesures de tortuosité et de réaliser des simulations multi-physiques à l’échelle microstructurale sur des structures réelles d’électrodes. En parallèle, un modèle de simulations électrochimiques sur microstructures de matériaux d’électrodes a été développé. Ce dernier a permis dans un premier temps, via une étude paramétrique sur les propriétés physiques des matériaux, de visualiser sur une ‘microstructure modèle’, les mécanismes et les conditions par lesquels la diffusion de lithium (liquide et solide) et la cinétique électrochimique influencent la capacité en décharge et les hétérogénéités de lithiation au sein de la microstructure modèle. Les compétitions entre les différents mécanismes ont été également visualisées et quantifiées. Dans un deuxième temps, le modèle développé a été mis en œuvre sur deux des microstructures réelles (2D) extraites auparavant afin de simuler des décharges galvanostatiques. Cette démarche permet de suivre operando le courant local, ainsi que la surtension aux interfaces des particules de matériau actif au cours des décharges galvanostatiques. L’accès à ces grandeurs permet d’expliquer le biais par lequel ces deux électrodes de même composition chimique et de microstructures différentes présentent des capacités expérimentales en décharge différentes.

Four NMC type materials having the same chemical composition (LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2) but different microstructures were synthesized and then used as positive electrodes to probe the impact of the microstructure over their electrochemical performances. FIB-SEM tomography was used to get 3D images of the synthesized materials, compute their ionic tortuosity and link the results to the observed electrochemical performances. 2D microscopy images were also obtained on the four materials to go beyond tortuosity computation and realize multi-physics simulations at the microstructure scale on real electrodes. To that end, an electrochemical model at the microstructure level has been developed. This model allows the visualization of the electrochemical kinetics’ as well as lithium liquid and solid diffusion’s influences over the global battery capacity and lithiation heterogeneities at the microstructure level. This study was performed, via a sensitivity analysis of the material physical properties, on a ‘template microstructure’ and allowed us to understand and quantify the different influences’ mechanism and the competition between them over the characteristics of the battery at multiple scales. After that, the developed model was used to simulate galvanostatic discharges on two of the previously extracted 2D microstructures. These simulations allowed us to get a real-time visualization of the local current density as well as of the overpotential at active material-electrolyte interface. The real-time visualization helped us to explain how two NMC type materials having the same chemical composition, but different microstructures led to different discharge capacities.