Étude expérimentale et modélisation cinétique de la génération de gaz lors du vieillissement calendaire et cyclique des batteries lithium-ion

Les batteries lithium-ion, bien que très performantes, peuvent présenter des risques non seulement dans des conditions d'utilisation abusives, mais également dans les conditions normales d'utilisation définies par le fabricant. Ces risques ne concernent pas uniquement leur usage quotidien, mais également de nombreux secteurs industriels (stockage, construction, reconditionnement, traitement des déchets et recyclage). En effet, une augmentation de 25 % des incidents liés aux batteries lithium-ion dans les centres de recyclage au Royaume-Uni et aux États-Unis a été observée ces dernières années. Une hausse de 71 % des incendies impliquant des batteries depuis 2022 a également été rapportée. Enfin, des risques chimiques liés à l’inhalation de gaz toxiques en cas de perte de confinement ont été identifiés. Ces émissions sont constituées de composés organiques volatils ainsi que de gaz toxiques tels que le fluorure d’hydrogène, particulièrement préoccupant en raison de sa toxicité et de son potentiel corrosif. Elles peuvent survenir même lorsque la batterie est soumise à des conditions normales de stockage et de fonctionnement conduisant au vieillissement calendaire et cyclique.
Pour répondre à ces enjeux et réduire les risques associés, une bonne compréhension des mécanismes de formation des gaz toxiques ainsi que des prévisions fiables de leur évolution sont essentielles. Cette thèse vise à développer un modèle de cinétique chimique décrivant l’évolution de l’électrolyte en phases liquide et gazeuse afin de prédire l’évolution temporelle de la composition gazeuse à l’intérieur de batteries couramment utilisées (notamment les chimies NMC et LFP). Le modèle prendra en compte différents mécanismes de dégradation identifiés dans la littérature, en particulier ceux liés aux variations de température, aux conditions de charge et de décharge, ainsi qu’au vieillissement des matériaux. Des expériences associées à des analyses de composition chimique seront menées afin de valider le modèle développé. Ce travail contribuera à une meilleure anticipation du comportement des batteries et, à terme, à la mise en œuvre de mesures préventives adaptées. Le doctorant acquerra une solide expérience dans le domaine des batteries lithium-ion, de la thermodynamique, de la cinétique chimique et de la modélisation multiphysique.

Mots-clefs : Batterie lithium-ion, Électrolyte, Vieillissement, Émissions gazeuses, Sécurité, Risques chimiques, Santé au travail, Cinétique chimique, Modélisation cinétique

• Directeur de thèse    Prof. SIRJEAN Baptiste, Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (LRGP), CNRS, Université de Lorraine
• Ecole doctorale    ED 608 - SIMPPÉ - Sciences et Ingénierie des Molécules, des Produits, des Procédés et de l'Énergie (Site web)
• Encadrants IFPEN    Dr. XU Boyang, ingénieur de recherche & Dr. BOLMONT Mickael, ingénieur de recherche
• Encadrant INRS    Dr. MONNIER Hubert, Responsable d'Etudes & Dr. VAUFLEURY Maxime, Responsable d'Etudes
• Localisation du doctorant    IFP Energies nouvelles, Rueil-Malmaison, France 
• Durée et date de début    3 ans, à partir du 4e trimestre 2026
• Employeur    INRS, Vandoeuvre, France. Salaire : 2726,64 €/mois brut (en janvier 2025)
• Qualifications    Master universitaire (ou équivalent) en génie chimique, chimie physique, électrochimie ou génie des matériaux
• Connaissances linguistiques    La maîtrise de l'anglais. La maîtrise du français est un plus.
• Autres qualifications    Mannequinat. Compétences expérimentales. Python. Des connaissances en cinétique chimique sont un atout.

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