Modélisation du procédé de fabrication des batteries lithium-ion : impact de la mésostructure de l'électrode sur sa performance électrochimique

Abstract

This Ph.D. project is within the scope of the ERC-ARTISTIC Project, which aims to correlate the fabrication process to the performance of lithium-ion batteries. To do so, the mesostructure of the electrode is either simulated with a 3-D physical model in accordance with the different fabrication parameters used, either stochastically generated, or reconstructed from tomography data. The mesostructure is imported and the partial differential equations are solved in Comsol Multiphysics, which relies on the finite element method. This Ph.D. investigations aim to unravel the link between structural observables and the performance of an electrode. The novelty of this study relies on the explicit consideration of the inactive phase of the electrode, as well as the investigations on the interphase that forms at the interface between the active material and the electrolyte.Several algorithms were developed during the course of this Ph.D. to address the obstacles to include the carbon binder phase explicitly in a 3-D electrochemical model. In particular, a stochastic generation functionality allowing a fine tuning over the electrode through the particle size distribution and shape, and the inactive phase morphology and a meshing algorithm enabling the meshing of an indefinite number of phase and saving into a format suitable to be imported into Comsol Multiphysics. All these tools were embedded into a single graphical user interface to increase their user-friendliness. Fine studies on the role of the inactive phase and its location were carried out, highlighting the importance of the explicit consideration of this phase. A particular focus was put on the calendering step and its impact on the mesostructure and the electrochemical performance to unravel the link between the properties of the mesostructure and the electrochemical behavior of a cell. Moreover, we investigated the impact of a heterogeneous layer arising from electrolyte decomposition at both the positive and negative electrodes, i.e. the cathode and solid electrolyte interphase. Finally, a full-cell model demonstrates the relevance of all the tools developed and presented in this work to achieve state-of-the-art studies. Indeed, a discharge of a full-cell with each particle individually identified in both electrodes illustrates the capability of the algorithms to allow fine investigations with the observables of each particles individually accessibleCe projet de thèse s'inscrit dans le projet ERC ARTISTIC dont l'objectif est de développer une plateforme de simulation prédictive des procédés de fabrication des électrodes de batterie lithium ion. Cette thèse consiste à développer un simulateur dynamique avec résolution spatiale 3D de la performance électrochimique des électrodes de batterie lithium ion. Ce simulateur utilise des électrodes issues de simulations physiques, de générations stochastiques ou bien d'images tomographiques, et repose sur la méthode d'éléments finis dans le logiciel Comsol Multiphysics. L'ensemble des travaux a pour objectif d'établir des liens entre des observables de la mésostructure d'une électrode à ses performances électrochimiques. L'apport de cette thèse vis-à-vis de l'état de l’art consiste en la considération explicite de la phase carbone et binder au sein du système modélisé, ainsi qu'en l'étude de l'interphase se formant à l'interface entre le matériau actif et l'électrolyte. Plusieurs algorithmes ont été développés au cours de cette thèse pour répondre aux problématiques qui se posent lors de l'inclusion de manière explicite de la phase inactive dans un modèle électrochimique 3-D. En particulier une fonctionnalité permettant la génération stochastique d'électrodes avec un fin contrôle sur ses paramètres tels que la distribution de taille ou la morphologie des particules actives et la morphologie du domaine carbone et binder, ainsi qu'un algorithme permettant le maillage d'un nombre indéfini de phase ainsi que la sauvegarde du maillage en un format favorisant l'importation dans le logiciel Comsol Multiphysics. Toutes ces fonctionnalités ont été inclues dans une seule interface graphique afin de rendre leur utilisation plus intuitive. Enfin, des études portant sur le rôle de la phase inactive et l'impact de son emplacement sur la comportement d'une électrode en décharge ont été menées, ainsi que des travaux sur l'impact de certaines propriétés de la mésostructure sur la performance d'une batterie. L'interface solide électrolyte résultant de la décomposition de l'électrolyte a également été étudiée pour des matériaux actifs d'électrodes négatives et positives. Pour conclure, un modèle de batterie complète est présenté et démontre la pertinence des outils développés et présentés dans ce manuscrit pour réaliser des simulations au niveau voire au-delà de l'état-de-l'art. En effet, ce modèle est illustré à travers la décharge d'une batterie complète avec toutes les particules de matériaux actifs individuellement identifiés, ce qui permet donc d'avoir accès individuellement à leurs observables et de ce fait avoir un suivi plus fin de l'évolution de la batterie en fonctionnemen