Granular mechanics approach of battery electrode breathing

Approche par mécanique granulaire de la respiration des électrodes de batterie Afin d'optimiser la capacité des batteries lithium-ion, l'incorporation de silicium en tant que matériau actif de l'anode est une solution intéressante. Toutefois, la forte variation volumique de ce matériau lors de son alliage avec le lithium rend son intégration délicate. En effet, la variation volumique crée un effet de « respiration » de la cellule, au rythme des cycles de charge et de décharge. Cela induit alors des contraintes mécaniques potentiellement néfastes à la durée de vie et à la sécurité de la batterie. Les modélisations actuelles de ce phénomène manquent encore à le décrire correctement, en particulier l’expansion irréversible à chaque cycle. Ces approches sont majoritairement placées sous le prisme du matériau continu. Or, il est de fait que le matériau d'une électrode est granulaire, et que la microstructure peut évoluer par un réagencement des particules. Par ailleurs, les quelques approches ayant considéré cette structure discrète ne présentent pas d'analyse précise des propriétés de contact entre les particules.L'objectif de cette thèse est alors d'intégrer la structure granulaire dans un modèle d'électrode et d'évaluer l’impact des différentes propriétés granulaires sur la respiration.La construction du modèle de respiration est basée sur l’emploi de la DEM (Discrete Element Method), un outil de calcul d’interaction dynamique entre particules. Construit avec le code open-source LIGGGHTS, l’échantillon numérique est composé d’un lit de particules représentatif d’une anode de 50 µm d’épaisseur. Les particules ont pour propriétés celles du silicium/carbone et du graphite, et la loi de contact employée est la loi de Hertz-Mindlin. Tout d’abord, le modèle prédit une amplitude de gonflement quasiment linéaire avec la proportion de silicium dans l’anode. Ensuite, la pression appliquée sur l’électrode ainsi que la rigidité des particules sont étroitement liées par la notion de « niveau de raideur » du lit de particules : augmenter la pression revient à diminuer la rigidité des particules, et réciproquement. À faible niveau de raideur, l'amplitude de respiration diminue notablement, et à haut niveau de raideur, l'amplitude de respiration est indépendante de ce dernier. D’autre part, l’adhésion et les liens cassants entre les particules sont implémentés respectivement via les lois de Johnson-Kendall-Roberts et de Potyondy-Cundall. L’adhésion et/ou les liens cassants se révèlent propices à l’apparition d’une irréversibilité de premier cycle : l’irréversibilité est susceptible d’atteindre jusqu’à 70% de l’amplitude de respiration uniquement dû au réarrangement des particules. Cette observation confirme l’idée que le milieu granulaire est susceptible de contribuer à l’irréversibilité de premier cycle observée expérimentalement. Enfin, lorsque la friction entre les particules est très haute et la rotation de ces dernières bloquée, un phénomène de « pilier » apparaît : la pression appliquée sur l’électrode n’est portée que par quelques colonnes de particules.En parallèle, une étude expérimentale menée sur des échantillons macroscopiques a permis d’étudier l’effet d’une variation de pression durant le cyclage, de la température ainsi que de la pression des premiers cycles. La variation de pression durant le cyclage affecte l’épaisseur de l’anode, mais s’avère faiblement influente sur l’amplitude de respiration. Une température de cyclage élevée (61°C) induit une diminution de l’amplitude de respiration. Elle engendre aussi une perte progressive de capacité plus importante, mais cela n’explique pas toute l’influence sur l’amplitude de respiration, d’où un impact suspecté sur la microstructure. Enfin, la haute pression (3 MPa) durant les premiers cycles se révèle être un levier pour réduire durablement l’amplitude de respiration de l’anode.