Etude expérimentale et modélisation pour la sécurité des batteries Li-ion

Experimental study and modeling for the safety of Li-ion batteries

• Auteur / Autrice : Ridha Omrani
• Direction : Philippe Azaïs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 18/10/2022
• 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 : Département des technologies des nouveaux matériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Riu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : François Tran-Van, Christophe Forgez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Tran-Van, Stéphane Laruelle

Mots clés

Mots clés libres

Batterie Li-Ion

Emballement thermique

Lithium plating

Li-Ion battery

Lithium plating

Thermal runaway

Résumé

Les fabricants de cellules batterie et de pack batterie Li-ion ont besoin d’outils facilitant la conception de leurs produits à la fois sur les aspects « performances », « vieillissement » et « sécurité ». Les hautes performances attendues (densité d’énergie) sur les cellules batteries doivent être maintenues en garantissant un niveau de sécurité suffisant tout au long de sa durée de vie. Le comportement en conditions anormales (dites abusives) des batteries lithium-ion (LIBs) fait l’objet d’une attention particulière compte tenu du déploiement massif de la technologie et des accidents et défaillances recensés ces dernières années. Un outil de simulation prédictif décrivant le comportement d’une cellule batterie placée dans des conditions abusives permettra d’accélérer le processus de développement et de limiter les processus « Essai-Erreur » qui constituent la référence méthodologique actuelle. L'emballement thermique (Thermal Runaway (TR)) d’une cellule et la propagation de l’emballement entre cellule sont considérés comme un problème de sécurité majeur.Dans le cadre des travaux de cette thèse, une étude expérimentale et de modélisation a été menée sur une cellule Ni rich/Graphite INR18650-32E commercialisée par Samsung avant et après vieillissement à -20°C dont l'objectif est de développer un modèle multi-échelle de prédiction d’emballement thermique avant et après le vieillissement. La méthodologie proposée est basée sur une analyse de la dégradation thermique des différents composants de la cellule séparément de manière à identifier, et caractériser (enthalpies de réactions, cinétiques de réaction) les différentes réactions exothermiques et d’identifier le « schéma réactionnel » du TR final dans les conditions d’une cellule complète. Pour cela, des analyses par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) entre 30 °C et 400 °C à différentes vitesses de chauffe ont été réalisées suivant un plan d’expérience adapté et ajusté au fil de l’étude. Les analyses ont été multipliées sous différents états de charge (SOC), avec différentes chimies d’électrolyte avant et après deux périodes de vieillissement différentes. Ce travail expérimental a été complété, par des analyses de caractérisation des matériaux de la batterie par RMN, DRX, XPS et TOF-SIMS.En se basant sur les résultats expérimentaux, un modèle prédictif d’emballement a été développé à l’échelle des matériaux et de la cellule commerciale complète en intégrant un bilan molaire des espèces et en tenant compte pour la première fois de l’impact du lithium plaiting sur la batterie.

Battery cell and Li-ion battery pack manufacturers need tools to facilitate the design of their products in terms of "performance", "aging" and "safety". The high performances expected from battery cells (energy density) must be maintained while guaranteeing a sufficient level of safety throughout its life. The behavior of lithium-ion batteries (LIBs) under abnormal conditions (known as abuse) is the subject of particular attention given the massive deployment of the technology and the accidents and failures recorded in recent years. A predictive simulation tool describing the behavior of a battery cell placed under abusive conditions will accelerate the development process and limit the "Trial and Error" processes that are the current methodological reference. The thermal runaway (TR) of a cell and the propagation of the runaway between cells are considered significant safety issues.In the framework of this thesis, an experimental and modeling study was conducted on a Ni-rich/Graphite INR18650-32E cell commercialized by Samsung before and after aging at -20°C. This study aims to develop a multiscale model for predicting thermal runaway before and after aging. The proposed methodology is based on an analysis of the thermal degradation of the different components of the cell separately in order to identify and characterize (reaction enthalpies, reaction kinetics) the different exothermic reactions and to identify the "reaction scheme" of the final RT in the conditions of a complete cell. For this purpose, analyses by differential scanning calorimetry (DSC) between 30 °C and 400 °C at different heating rates were performed following an adapted experimental design and adjusted throughout the study. The analyses were multiplied under different states of charge (SOC), with varying chemistries of electrolytes before and after two different aging periods. This experimental work was completed, by characterization analyses of the battery materials by NMR, XRD, XPS, and TOF-SIMS.Based on the experimental results, a predictive runaway model has been developed at the scale of the materials and of the complete commercial cell by integrating a molar balance of the species and by taking into account for the first time the impact of lithium plaiting on the battery.