Etude de vieillissement des cellules de batterie : analyse expérimentale et modélisation numérique

Les batteries lithium-ion (LIBs) sont des dispositifs de stockage de l’énergie électrique largement utilisés, notamment dans le domaine du transport en raison de leurs fortes densités énergétiques et de puissance, de leur portabilité et de leur fiabilité. Cependant, au cours de leur durée de vie, les batteries ont des caractéristiques qui évoluent en lien avec des mécanismes de vieillissement qui opèrent dans les cellules à la fois au repos (vieillissement calendaire) et en charge (vieillissement cyclique). Le vieillissement intervient jusqu’à ce que les exigences de performance en termes d’énergie et de puissance d’une application ne puissent plus être satisfaites, et que la batterie doive être remplacée. Améliorer la durée de service de la batterie est essentiel non seulement pour des raisons écologiques, mais aussi économiques. Les principales causes des deux types de vieillissement sont des réactions parasites entre l’électrolyte et l’électrode. Elles peuvent être classées en trois catégories : les réactions anodiques (la réduction de l’électrolyte entraîne la croissance de l’Interface Électrolyte Solide – SEI), les réactions cathodiques (comprenant l’oxydation de l’électrolyte et la dissolution des métaux de transition) et les réactions couplées (les métaux de transition dissous dans la cathode affectent par exemple la croissance de la SEI dans l’anode). La croissance de la SEI est supposée être le mécanisme de vieillissement dominant ; elle entraîne une diminution irréversible de la capacité liée à une perte de lithium cyclable [1,2].
L’élaboration de méthodologies de vieillissement fiables qui incorporent l’influence de tous les facteurs de dégradations mentionnés ci-dessus demeure un défi majeur. Actuellement, dans le domaine du génie électrique, les travaux réalisés sur les modèles de dégradation de cellules sont essentiellement développés à l’échelle macroscopique et les phénomènes présents à l’échelle microscopique restent peu abordés, en raison de la complexité d’intégration des phénomènes de formation et de croissance de la SEI.

Objectifs – Problématique – Démarche méthodologique

L’objectif principal des travaux est l’élaboration et la validation d’une méthode d’évaluation de la durée de vie des LIBs, avec une prise en compte des phénomènes physiques liés à la SEI. L’objectif à terme est de pouvoir prolonger la durée de vie des cellules et de maximiser leur capacité.
La démarche proposée consiste à s’appuyer à la fois sur des tests de vieillissements calendaires et/ou cycliques [3] et sur une modélisation électrochimique [4]. Un modèle de mécanisme de dégradation approprié prenant en compte les phénomènes électrochimiques est nécessaire à la compréhension du processus de vieillissement, en particulier pour pouvoir corréler la diminution de la capacité et l’augmentation de la résistance des cellules à la formation et à la croissance du film mince de la SEI.
Les tests de vieillissement nécessitent de suivre et contrôler : 1) les conditions de température (T), de courant (I), d’état de charge (State of Charge – SoC), 2) des indicateurs de vieillissement : capacité (C), impédance (Z), indicateurs multi-paramètres de l’état de santé (State of Health – SoH). En effet, à une température ambiante de 25°C, les batteries lithium-ion subissent des phénomènes de dégradation majeurs qui sont d’une part la délamination de l’électrode négative sous l’effet de changements de volume répétés, d’autre part la dissolution et la modification de la structure cristalline de l’électrode positive [5]. Tandis que pour un vieillissement à une température de 0°C, un dépôt de lithium (lithium-plating) est généré sur l’électrode négative [6]. Par ailleurs, le vieillissement calendaire à des températures hautes (45°C) et à des SoC de 100 % favorise la décomposition de l’électrolyte pour former la SEI. La perte de lithium associée à la croissance de la SEI est donc envisagée [7].
Une première étape du travail de thèse consistera donc à vérifier, en fonction des caractéristiques des cellules de batteries investiguées et suivant les conditions d’essais retenues, la présence ou non de ces phénomènes de dégradation et à les évaluer par des moyens de mesures adaptés. Une fois la méthode de test identifiée et validée, un plan d’expérience devra être conçu et réalisé afin d’établir une loi expérimentale de durée de vie en cohérence avec des profils de missions applicatives. Ensuite, pour compléter l’étude expérimentale, des modélisations analytiques et numériques seront mises en œuvre afin de simuler l’impact des phénomènes de la formation et de la croissance de la SEI de ces cellules, lors du vieillissement. Cela devrait permettre d’établir des liens entre les descriptions électrochimiques de la croissance de la SEI et les applications visant à améliorer le contrôle du processus de fabrication de batteries industrielles. Enfin, en se basant sur les résultats expérimentaux et numériques, un modèle d’optimisation de la durée de vie des cellules de batterie lithium-ion sera proposé.

References

[1] LI, Cong, WANG, Zhen-yu, HE, Zhen-jiang, et al. An advance review of solid-state battery: Challenges, progress and prospects. Sustainable Materials and Technologies, 2021, vol. 29, p. e00297.
[2] ALI, Mir A., DA SILVA, Carlos M., et AMON, Cristina H. Multiscale Modelling Methodologies of Lithium-Ion Battery Aging: A Review of Most Recent Developments. Batteries, 2023, vol. 9, no 9, p. 434.
[3] IGLESIAS, Eduardo Redondo. Étude du vieillissement des batteries lithium-ion dans les applications“ véhicule électrique“: combinaison des effets de vieillissement calendaire et de cyclage. 2017. Thèse de doctorat. Université de Lyon.
[4] YIN, Litao, GENG, Zeyang, CHIEN, Yu-Chuan, et al. Implementing intermittent current interruption into Li-ion cell modelling for improved battery diagnostics. Electrochimica Acta, 2022, vol. 427, p. 140888.
[5] EDGE, Jacqueline S., O’KANE, Simon, PROSSER, Ryan, et al. Lithium ion battery degradation: what you need to know. Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, vol. 23, no 14, p. 8200-8221.
[6] LIU, Qianqian, DU, Chunyu, SHEN, Bin, et al. Understanding undesirable anode lithium plating issues in lithium-ion batteries. RSC advances, 2016, vol. 6, no 91, p. 88683-88700.
[7] HOU, Chen, HAN, Jiuhui, LIU, Pan, et al. Operando Observations of SEI Film Evolution by Mass‐Sensitive Scanning Transmission Electron Microscopy. Advanced energy materials, 2019, vol. 9, no 45, p. 1902675.

Funding category: Contrat doctoral

PHD Country: France