Eligibilité des éléments de batterie lithium-ion issus de véhicules électriques pour une réutilisation en seconde vie;

Reusability of lithium-ion batteries from electric vehicles in second life applications

• Auteur / Autrice : William Wheeler
• Direction : Ali Sari, Pascal Venet, Yann Bultel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie electrique
• Date : Soutenance le 13/09/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Forgez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ali Sari, Pascal Venet, Yann Bultel, Christophe Forgez, Olivier Briat, Corinne Alonso, Melika Hinaje, Marie-Ange Raulet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Briat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Durée de vie (ingénierie)

Recyclage

Batteries lithium-ion

Véhicules électriques

Mots clés libres

Batterie lithium-ion

Véhicule électrique

DVA

ICA

Diagnostic

Pronostic

Durée de vie utile restante

LFP

Lithium-ion battery

Electric vehicle

Differential Voltage Analysis

Incremental Capacity Analysis

Diagnosis

Prognosis

Remaining Useful Life

LFP

Résumé

La réutilisation des batteries issues de véhicules électriques est un enjeu majeur pour prolonger leur durée de vie, limiter leurs impacts environnementaux, repousser leur coût de recyclage et améliorer leur valeur économique. La réutilisation n'est cependant pas sans risque. De nombreux aléas peuvent la remettre en cause : vieillissement imprévisible, inhomogénéité de vieillissement, démontage et processus de sélection complexe, défaut de sécurité… Ces travaux ont pour but de diagnostiquer et d'estimer la durée de vie utile restante de batteries lithium-ion en vue de déterminer la possibilité d'une réutilisation en seconde vie. L'étude porte sur des cellules Lithium Fer Phosphate/Graphite. Une campagne d'essai a permis de faire vieillir des cellules de l'état neuf jusqu'à des états de santé avancés de 30% pour certaines cellules. Des essais représentatifs d'usages menant à de tels états de santé sont peu courant dans la littérature. Ces données montrent un vieillissement non-linéaire entre la première et la seconde vie. La compréhension des phénomènes de vieillissement est donc nécessaire avant d'établir un diagnostic et un pronostic de l'état de santé des cellules. L'étude post-mortem montre un vieillissement inhomogène de la cellule : l'électrode négative subit une dégradation hétérogène en surface avec des zones devenant non fonctionnelles. Une dégradation des caractéristiques électriques est également constatée sur les zones encore fonctionnelles. L'électrode positive conserve des caractéristiques similaires avant et après vieillissement. La méthode de diagnostic de l'état de santé proposé permet d'associer la perte de capacité de la cellule aux différents modes de vieillissement, à savoir la consommation de lithium cyclable et la perte de matière active à l'électrode négative. La méthode est basée sur l'étude de la dérivation de la tension (DVA, « differential voltage analysis ») et sur l'analyse incrémentale de la capacité (ICA, « incremental capacity analysis ») au niveau de la cellule. La méthode se base sur le suivi des maximums locaux obtenues avec les méthodes ICA et DVA (« peak-tracking »). A l'issue de ces travaux, des lois de vieillissement sont formulées pour estimer l'état de santé de l'électrode négative, la perte de lithium cyclable et le vieillissement de la cellule. La durée de vie utile restante est finalement estimée.

The reuse of batteries from electric vehicles is a major challenge to extend the life of these devices, limit their environmental impact, reduce their recycling cost and improve their economic value. However, reuse is not without risk. Numerous hazards can jeopardize reuse: unpredictable aging, inhomogeneity of aging, complex disassembly and selection pro-cess, safety... The aim of this work is the diagnosis and prognosis of the remaining useful life of lithium-ion batteries in order to determine the possibility of reuse in a second life. The study con-cerns lithium-iron-phosphate/graphite cells. An experiment aged fresh cells from new to advanced states of aging, up to 30% of state of health in some cases. Tests at equivalent states of health are uncommon in the literature. This data shows a non-linear aging between the first and second life. The understanding of the aging phenomena is therefore necessary before establishing a diagnosis and the progno-sis of the cell's health status. The postmortem study shows an inhomogeneous aging of the cell: the negative electrode undergoes a heterogeneous degradation on the surface. Functional areas have a degrada-tion of their electrical characteristics. The positive electrode keeps similar characteristics before and after aging. The proposed health diagnosis method allows associating the loss of cell capacity to dif-ferent aging modes: loss of lithium inventory and loss of active material at the negative elec-trode. The method is based on the analysis of the cell voltage by differential voltage analysis (DVA) and incremental capacity analysis (ICA). The method uses the peak-tracking technique. At the end of this diagnostic work, ageing laws are formulated for the ageing of the nega-tive electrode and the loss of lithium inventory. Finally, the prognosis of cell aging is given on the basis of these two aging laws. The remaining useful life is then estimated.