Couplages mécanique/électrochimie dans les batteries Li-ion à électrodes composites Si/C

Les dernières générations d’électrodes négatives de batteries au lithium-ion font appel à des matériaux composites silicium-graphite  pour stocker le lithium lors de la charge. Le composite est constitué de grains de matière active collés entre eux par un liant polymère. Ces matériaux présentent des capacités à emmagasiner des quantités importantes de lithium, mais au prix de grandes dilatations volumiques (jusqu’à 400% pour le silicium), susceptibles de compromettre la tenue mécanique et le fonctionnement électrochimique du système à plusieurs niveaux (génération de contraintes dans la batterie engendrant des dommages, perte de capacité par endommagement du matériau ou résorption de porosité).
L’objet de cette thèse est la modélisation et la compréhension des couplages entre dilatation du matériau, endommagement mécanique, et électrochimie, à l’échelle de l’électrode jusqu’à l’échelle de cellule. Plus précisément, l’étudiant(e) développera un modèle micromécanique du comportement de l’électrode (dilatation, évolution des porosités, endommagement des constituants) basé sur une expérimentation originale dédiée à l’étude, afin de nourrir de données pertinentes les modèles de batterie développés à IFPEN.
L’étudiant(e) s’appuiera pour cela sur trois axes forts : (a) L’observation des propriétés macroscopiques (taux de charge et capacité, dilatation mécanique) sur batteries modèles, pour une variété de conditions de cyclage. (b) La caractérisation par imagerie des électrodes afin de visualiser les évolutions mécaniques au sein du matériau. Deux techniques sont pressenties : la tomographie X pour l’observation des mécanismes de dilatation et l’évolution de la porosité, et la FIB-MEB pour l’observation détaillée des dommages au niveau du liant polymère. (c) La simulation numérique des phénomènes mécaniques (par simulation FEM ou DEM).Les modèles s’appuieront sur des matériaux numériques modèles générés en conformité avec les observations d’imagerie. Les données pertinentes seront extraites afin d’assurer un couplage avec les modèles de batterie de niveau supérieur.

Mots clefs: batteries Li-ion, tomographie X, mécanique des matériaux, simulation numérique, imagerie

• Directeur de thèse    Pr MAIRE Eric (Directeur de Recherche CNRS, MATEIS)
• Ecole doctorale    EDA 034 Matériaux de Lyon
• Encadrant IFPEN    Dr ESNAULT Vivien, Département mécanique du solide, vivien.esnault@ifpen.fr 
• Localisation du doctorant    IFP Energies Nouvelles et MATEIS, Lyon, France  
• Durée et date de début    3 ans, début au cours du quatrième trimestre 2021 
• Employeur    IFP Energies Nouvelles, Lyon, France
• Qualifications    Master dans une discipline appropriée (mécanique du solide, matériaux)
• Connaissances linguistique    Bonne maîtrise du français ou de l’anglais indispensable