Mesure Et Modélisation Des Déformations Sur Une
il y a 3 semaines
**Mesure et modélisation des déformations sur une batterie pendant des cycles de charge / décharge**:
- Réf **ABG-123629**
- Sujet de Thèse- 02/05/2024- Autre financement privé- Pprime / EIGSI- Lieu de travail- Poitiers / La Rochelle - Nouvelle Aquitaine - France- Intitulé du sujet- Mesure et modélisation des déformations sur une batterie pendant des cycles de charge / décharge- Champs scientifiques- Sciences de l’ingénieur
**Description du sujet**:
**Contexte global**
Les batteries Lithium-Ion constituent aujourd’hui l’une des solutions les plus avantageuses pour le stockage de l’énergie électrique, qui a notamment permis la démocratisation des véhicules électriques. Si la technologie Lithium-Ion est aujourd’hui solidement implantée à l’échelle industrielle, la recherche continue de progresser pour en faire une technologie plus performante et plus durable [1].
Pendant les cycles de charge / décharge des batteries, des mécanismes électrochimiques et des variations de températures sont observées en interne, entraînant une “respiration” (gonflement/dégonflement) plus ou moins importante de la batterie selon le scénario de cyclage auquel elle est soumise.
Les études cherchant à quantifier cette déformation structurelle et à la modéliser sont encore aujourd’hui peu nombreuses [2][3]. En effet, les campagnes d’essais expérimentaux de cyclage (comme celles pratiquées au sein du laboratoire L3E de l’EIGSI) ne présentent généralement pas de dispositifs de mesure mécanique sur les batteries. La majorité des études récentes sur les batteries introduisant des aspects mécaniques se focalisent le plus souvent sur la tentative de caractérisation et de modélisation des paramètres matériaux des constituants [4] et de leur agencement [5].
Par ailleurs, plusieurs dispositifs existent pour mesurer des déplacements et déformations mécaniques. Certains dispositifs permettent de réaliser une mesure ponctuelle de la déformation, comme les jauges d’extensométrie qui font partie des méthodes parmi les plus éprouvées et utilisées dans l’industrie, mais dont l’usage est peu étendu au domaine des batteries [3]. D’autres dispositifs, plus élaborés, permettent de réaliser des mesures de champs aussi bien surfaciques [6] que volumiques [7]; ces techniques ne sont que très rarement mises en œuvre dans le domaine des batteries [8].
**Résultats antérieurs**
Plusieurs essais de charge/décharge ont été réalisés au laboratoire L3E de l’EIGSI sur des cellules prismatiques avec une mesure ponctuelle par jauge d’extensométrie. Au cours de ces expériences, plusieurs vitesses de charge/décharge ont été testées:
- régime nominal 1C pour lequel on observe une élévation de température en surface de quelques degrés et des déformations de l’ordre de 100µ. On constate que les résultats obtenus sont reproductibles quand on répète les cycles de charge/décharge
- régime C/10 (c’est-à-dire en divisant le courant de charge/décharge par 10) pour limiter l’élévation de température de cellule, et donc la déformation d’origine thermique. On observe alors uniquement la déformation due à l’intercalation des ions Li+ dans les électrodes positive et négative. Il est difficile de vérifier la reproductibilité car un cycle de charge/décharge est long (environ une journée)
- régime C/5 qui est un compromis entre les deux scénarios précédents. L'élévation en température est limitée et la durée d’un cycle permet de répéter l’expérience de nombreuses fois. Les résultats obtenus sont cohérents avec les essais à 1C et C/10.
Par ailleurs, une première ébauche de modélisation a été entamée. Elle vise à expliquer qualitativement l’allure de la courbe de déformation de la cellule. Celle-ci présente est loin d’être linéaire en fonction de l’état de charge, ce qui s’explique par les changements de phase attendus dans les électrodes. Par ailleurs on observe une forme différente lors de la charge/décharge qui s’expliquerait par les propriétés différentes des matériaux d’électrodes en traction/compression. La modélisation mécanique est donc étroitement liée à la modélisation électrochimique qui est beaucoup plus avancée au sein de la communauté. En particulier, connaissant la tension à vide de la cellule ainsi que les propriétés électrochimiques des électrodes, on peut facilement recaler les courbes de déformations en fonction du taux de lithiation dans les électrodes positive et négative.
**Objectif général**
L’objet de cette thèse au global est de diagnostiquer l’état d’une cellule de batterie lors de cycles de charge/décharge à travers la mesure de déformations mécaniques, aussi bien externes qu’internes. Deux grands axes constitueront le travail à effectuer : la mise en place d’expériences qui permettront de réaliser les mesures de déformations
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