Procédés innovants et écoresponsables pour la mise en œuvre de batteries lithium-ion

Innovative and eco-responsible processes forlithium-ion batteries

• Auteur / Autrice : Ella Löwensohn
• Direction : Cyrille Sollogoub
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur spécialité Procédés de fabrication - Génie mécanique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Pimm - Laboratoire Procédés et ingénierie en mécanique et matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : TemPo : Vieillissement des polymères et matériaux organiques
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Conservatoire national des arts et métiers (France ; 1794-....)

Mots clés

Mots clés libres

Batteries lithium-ion

Procédés de fabrication par voie fondue

Procédé d'extrusion

Rhéologie de systèmes chargés

Lithium-ion batteries

Melt process manufacturing

Extrusion process

Rheology of charged systems

Résumé

Les objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre, objet de l'accord de Paris, déclinés dans le package européen, nécessitent d'augmenter significativement la part de l'électricité de source renouvelable dans le mix énergétique mondial. Dans ce contexte, le stockage de l'énergie va s'accroître considérablement et nécessite des dispositifs de stockage fiables, sûrs et efficaces. Parmi ceux-ci, les batteries lithium-ion de 3ème génération restent des technologies de pointe, permettant un niveau de densité énergétique élevé, et connaissent un succès grandissant, en lien avec le développement des marchés des véhicules électriques. Pour faire face à cette demande croissante, un travail important doit être mené sur les procédés de fabrication des différentes composantes des batteries (électrodes, séparateurs, collecteurs) ainsi que leur assemblage en cellule. Les méthodes traditionnelles de fabrication des différentes composantes d'une batterie font intervenir des procédés par voie solvant, coûteux en énergie et peu vertueux d'un point de vue écologique. Ce travail de thèse vise à développer des méthodes alternatives de fabrication par voie fondue en extrusion, plus productives et écoresponsables, et moins consommatrices d'énergie. Le travail de la thèse débutera par le choix des matériaux et formulations des mélanges de matières actives et de liants polymères, ainsi que de leur caractérisation rhéologique. Il se poursuivra par l'optimisation de la fabrication à partir des formulations sélectionnées des différentes composantes de la batterie et de leur assemblage. Des études microstructurales systématiques permettront de mettre en évidence les effets des différents paramètres du procédé. Enfin, les performances électrochimiques de la batterie (conductions électronique et ionique) seront évaluées et reliées à la microstructure générée par le procédé.

The targets for reducing greenhouse gas emissions set out in the Paris Agreement and set out in the European package require a significant increase in the proportion of electricity generated from renewable sources in the global energy mix. Against this backdrop, energy storage is set to grow considerably, requiring reliable, safe and efficient storage devices. Among these, 3rd generation lithium-ion batteries remain leading-edge technologies, offering a high level of energy density. They are becoming increasingly popular, in line with the development of the electric vehicle market. To meet this growing demand, major work needs to be carried out on the manufacturing processes for the various different battery components (electrodes, separators, collectors), as well as their assembly into cells. cells.Traditional methods for manufacturing the various components of a battery involve solvent-based processes, which are energy-intensive and not very environmentally friendly. The aim of this thesis is to develop alternative extrusion melt manufacturing methods that are more productive, eco-responsible and consume less energy. The thesis work will begin with the choice of materials and formulations for mixtures of active ingredients and polymer binders, as well as their rheological characterisation. It will continue with the optimisation of the selected formulations of the various components of the battery and their assembly. Systematic microstructural studies will highlight the effects of the various process parameters. Finally, the electrochemical performance of the battery (electronic and ionic and ionic conductivity) will be evaluated and linked to the microstructure generated by the process.