MÉMOIRE D’INGÉNIEUR EN PHYSIQUE

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Abou-Bakr Belkaid Tlemcen

Faculté des Sciences Département de Physique

Unité de Recherche de Matériaux et des Énergies Renouvelables - URMER

MÉMOIRE D’INGÉNIEUR EN PHYSIQUE OPTION

CARACTÉRISATION ET MATÉRIAUX

Présenté par

BENSAHA Radouane

THÈME

MODÉLISATION THERMIQUE EN 3D D’UNE BATTERIE LITHIUM ION

Soutenu le : 24 FEVRIER 2013

Devant le jury composé de :

Année Universitaire 2012–2013

Président Mr. MECHERNENE Lahcène Professeur Université de Tlemcen Encadreur Mr. CHABANE SARI Nasr-Eddine Professeur Université de Tlemcen Co-encadreur Mr. CHIALI Anisse Maître de Conférences «B» EPST- Tlemcen Examinateurs Mr. BERRAYAH Abdelkader Professeur Université de Tlemcen Mme GHELLAI Nacéra Professeur Université de Tlemcen

1

Remerciements

Louange à notre Seigneur ALLAH le tout puissant, de m’avoir destiné le retour à la noble

Université de Tlemcen, pour me remettre sur la voie de la réussite via la rencontre

d’honorables Professeurs, qui grâce à leurs savoir et leurs qualités humaines, je me suis

instruit, je suis devenu Ingénieur Physicien.

DIEU vous préserve mes Chers Professeurs, DIEU préserve notre patrie l’Algérie.

Mes profonds respects au Professeur TABTI Boufeldja, Doyen de la Faculté des Sciences à

l’Université de Tlemcen de m’avoir réintégrer à l’Université pour finaliser mon cursus

d’ingéniorat en physique. Un geste honorable qui a marqué mon esprit et qui y restera encré le

long de mon existence.

Toute ma gratitude au Professeur MECHERNENE Lahcene, Chef de Département de

Physique à l’Université de Tlemcen, d’avoir accepté de présider le jury de soutenance, et

d’avoir collaboré fortement à ma réintégration universitaire pour achever mon cursus

d’ingénieur physicien.

Je remercie l’honorable Professeur CHABANE SARI Nasr-Eddine de m’avoir mis sous ses

ailles pour réussir les cours de la cinquième année et réaliser le mémoire d’ingénieur

physicien. Un grand Homme à qui j’exprime ma profonde gratitude pour ses précieux conseils

qu’il n’a cessé de me prodiguer tout au long de ce travail.

J’exprime toute ma reconnaissance au Professeur CHIALI Anisse, qui a suivi l’évolution de

mon travail avec un grand intérêt, je le remercie éventuellement pour l'aide compétente qu'il

m'a apportée, pour sa patience et son encouragement à finir ce mémoire dans les bons délais.

Son œil critique m'a été très précieux pour structurer le travail et pour améliorer la qualité des

différentes sections.

Je tiens à remercier le Professeur BERRAYEH Abdelkader, d’avoir accepté d’être membre

examinateur du jury.

Ma reconnaissance au Professeur, Madame GHELLAI Nacéra, d’avoir accepté d’examiner ce

travail et d’être membre du jury.

2

Dédicace

Ma pensée va particulièrement à mes Chers Parents pour leur éternel soutien, leur souci de

voir leurs enfants un jour sur l’échelle de la réussite. Dieu vous bénisse pour vos efforts

fructifiant, Chers Parents

A mon frère Rachid et sa petite famille au Yemen.

A mon frère Amine et ma sœur Amel.

À toute la famille BENSAHA et la famille MALLEK.

À tous mes amis.

Que ce savoir soit au service de la patrie et du monde musulman.

TABLE DES MATIÈRES

3

INTRODCTION GÉNÉRALE 5

CHAPITRE I : GÉNÉRALITÉ SUR LES ACCUMULATEURS LI-ION 7

I. PRÉSENTATION ET FONCTIONNEMENT

1. DE LA PILE À L’ACCUMULATEUR ÉLECTROCHIMIQUE 71.1.La pile voltaïque 7

1.2.L’accumulateur électrochimique 82. LA TECHNOLOGIE LITHIUM-ION 10

3. LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA BATTERIE LITHIUM-ION 133.1.LES DIFFERENTS COMPOSANTS DE LA BATTERIE LITHIUM-ION 13

3.1.1. L’ÉLECTROLYTE 133.1.2. LES ÉLECTRODES POSITIVES 143.1.3. LES ÉLECTRODES NÉGATIVES 17

II. APPLICATION DE LA TECHNOLOGIE LI-ION 20

1. SECTEUR ÉLECTRONIQUE 202. SECTEUR MÉDICALE 203. SECTEUR DE TRANSPORT 204. SECTEUR SPATIAL 20

III. CONTRAINTES D’UTILISATION DE LA BATTERIE LI-ION 22

IV. CONCLUSION 24

CHAPITRE II : ÉLÉMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DES BATTERIES LI-ION

I. INTRODUCTION 25

II. CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION 261. MATÉRIAU ACTIF DE LA CATHODE 272. MATÉRIAU ACTF D’ANODE 28

3. LIANT 294. SÉPARATEUR 29

5. ÉLECTROLYTE 306. GÉOMÉTRIE SPIRALE 31

7. BOÎTIER CYLINDRIQUE

III. ASPECT CHIMIQUE ET ÉLECTROCHIMIQUE 32

1. RÉACTIONS CHIMIQUES PRINCIPALES 322. BILAN ÉLECTROCHIMIQUE 33

3. SCHÉMA ÉLECTRIQUE ÉQUIVALENT 394. FONCTIONNEMENT DE LA CHAINE ÉLECTROCHIMIQUE 40

IV. SYSTÈME DE GESTION DE BATTERIE (BMS) 42V. CONCLUSION 44

TABLE DES MATIÈRES

4

CHAPITRE III : ÉTUDE THERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION

I. INTRODUCTION 45

II. TRANSFERT THERMIQUE 46

1. NOTION DE TEMPÉRATURE 462. NOTION DE CHALEUR 47

III. COMPORTEMENT THERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION 50

1. ANALYSE DU MÉCANISME EXOTHERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION 502. ANALYSE DU COMPORTEMENT THERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION 513. PERFORMANCE CARACTÉRISTIQUE DE LA BATTERIE LI-ION 544. ÉQUILIBRE THERMIQUE DURANT LA CHARGE ET LA DÉCHARGE 565. ÉVOLUTION DE TEMPÉRATURE D’UNE BATTERIE LI-ION 586. COMSOL-LOGICIEL DE LA MODÉLISATION THERMIQUE 61

IV. CONCLUSION 61

CHAPITRE IV : MODÉLISATION THERMIQUE 3D DE LA BATTERIE LI-ION

I. INTRODUCTION 62II. ÉTUDE DE CAS 62III. CONCLUSION 76

CONCLUSION GÉNÉRALE

INTRODUCTION GÉNÉRALE

5

L’énergie primaire utilisée dans le monde provient à 82% d’énergies fossiles (charbon, gaz et

pétrole), le reste provenant des énergies renouvelables (soleil, vent, mer et autres) et du

nucléaire aux hauteurs respectives de 11% et 7% ; ces chiffres varient selon les pays, puisque

34 % de l’énergie primaire provient en France du nucléaire alors que pour la Chine 64%

provient du charbon.

Ces énergies fossiles ne sont pas inépuisables et plusieurs modèles, basés sur des estimations

de la croissance de consommation actuelle et de la diminution des réserves découvertes,

prédisent que les réserves restantes en pétrole, gaz, uranium et charbon ne sont

respectivement que de 41, 62, 64 et 230 ans. Quand bien même ces estimations seraient

inexactes, on notera qu’une erreur de 100 milliards de tonnes en réserves de pétrole ne ferait

que décaler l’échéance de +/- 10 ans. On aura donc utilisé en un ou deux siècles les réserves

fossiles qui ont mis des millions d’années à s’accumuler sur notre planète. Ce scénario

catastrophe avait été annoncé dès 1956 par un géophysicien américain du nom de M. King

Hubbert, mais gardé sous silence jusqu’à la première crise pétrolière de 1970 aux États-Unis.

Ces fortes émissions de CO2 – même si se superposent à elles d’autres facteurs, comme

l’activité solaire – ont une influence indéniable sur l’évolution de la planète tant au niveau du

réchauffement climatique que de l’augmentation du niveau de la mer, les deux étant corrélés

par simple effet de dilatation.Là aussi nous semblons surpris par ces phénomènes, alors que

nos anciens, tels Joseph Fourier en 1800 et, en 1850, le chimiste suédois Swante Arrhenius,

avaient prévu et même calculé une élévation de la température globale de notre planète du fait

d’une augmentation de la concentration atmosphérique en CO2.

Il est donc important de nous tourner vers l’utilisation efficace des énergies renouvelables à

faible empreinte CO2 – solaire, éolienne, géothermique, de la biomasse, etc. –, qui sont des

énergies propres et inépuisables. Une difficulté inhérente aux énergies renouvelables (solaire,

éolienne ou autres), repose sur leur intermittence, qui entraîne de larges fluctuations d’énergie

délivrée, car, bien évidemment, ni le vent ne souffle ni le soleil ne brille sur commande. Il est

donc impératif d’inventer de nouvelles technologies de stockage de l’énergie pouvant

s’adapter aux applications réseaux afin de mieux gérer les ressources en énergies

renouvelables de notre planète, c’est-à-dire capables de délivrer de l’énergie quand on en a

besoin.

Dans le secteur de transport, le passage du véhicule thermique au véhicule électrique, en vue

de diminuer les émissions de CO2, nécessite une énergie embarquée pour assurer l’autonomie

INTRODUCTION GÉNÉRALE

6

du véhicule ; cette dernière requiert, là encore, des systèmes de stockage performants. Une

des meilleures façons de le faire est de convertir de l’énergie chimique en énergie électrique

puisque toutes deux partagent le même vecteur qu’est l’électron.

Parmi les dispositifs électrochimiques capables d’effectuer une telle conversion, on trouve les

accumulateurs, appelés par abus de langage « batteries », qui peuvent délivrer/stocker de

l’énergie électrique sur la base de réactions d’oxydo-réduction réversibles pouvant avoir lieu

au sein des matériaux constitutifs de leurs électrodes.

L’objectif de ce mémoire portera sur la modélisation thermique d’un modèle de batterie

lithium ion à véhicule électrique. Le modèle doit permettre d’étudier l’impact des transferts

thermiques sur le fonctionnement de la cellule, notamment en terme de surchauffe sur un

cycle de conduite avec un processus de charge et de décharge instantané (le cas de Tesla

Motors) et non cyclique (le cas de Toyota Prius).

Dans cette perspective, cette thèse est conduite en s’appuyant sur un examen

bibliographique détaillé sur la technologie lithium ion en Chapitre 1, dans lequel sont

notamment présentés les problèmes de surchauffe de la batterie.

Dans le chapitre 2, nous présenterons les caractéristiques physico-chimiques de la batterie

Li-ion où on va introduire les formules chimique d’oxydo-réduction ainsi que les équation

qui y régissent.

Dans le chapitre 3, nous commencerons par des notions générales sur la température et le

transfert de chaleur, ensuite, nous étalerons le comportement endothermique et

exothermique de la batterie lithium ion.

Le Chapitre 4 présentera finalement les résultats obtenus entre notre modèle et le modèle

origine ; on détaillera le comportement de notre batterie sous différents temps de cycle (400s

et 800s), et enfin, on exposera le comportement thermique de notre batterie sous différentes

températures.

On terminera enfin, ce mémoire, par une conclusion générale qui résumera le travail

effectué lors de cette étude.

CHAPITRE I

GÉNÉRALITÉ SUR LES ACCUMULATEURS LI-ION

CHAPITRE I : GÉNÉRALITÉS SUR LES ACCUMULATEURS LITHIUM-ION

7

I. PRÉSENTATION ET FONCTIONNEMENT

1.DE LA PILE À L’ACCUMULATEUR ÉLECTOCHIMIQUE

1.1.La pile voltaïque

La Pile voltaïque, appelée aussi Pile Volta fut la toute première pile électrique, inventée par le

comte Alessandro Giuseppe Antonio Volta en 17 mars 1800, physicien Italien. Connu pour

ses divers travaux sur l’électricité.

La pile volta est constituée d’un empilement de plusieurs disques de divers matériaux. Des

disques en cuivre alternés avec des disques en zinc et chaque disque de cuivre est séparé du

disque en zinc par un tissu imbibé d’une solution aqueuse (généralement de la saumure, de

l’eau salée), mais le disque en cuivre suivant est en contact direct avec le disque en zinc qui le

précède. Ce qui donne un empilement de cuivre, solution aqueuse, zinc, cuivre, solution

aqueuse, zinc, cuivre, solution aqueuse, etc. C’est d’ailleurs de cet empilement que viendra le

mot « Pile », du latin pila qui signifie colonne.

Il se produit au niveau de chaque couche, qu'on appellera désormais une superposition d'un

disque de cuivre et d'un disque de zinc, séparés par un tissu retenant la solution, une réaction

d'oxydo-réduction. Il ne se passe rien au niveau du disque de cuivre. Les éléments participant

à l'oxydation et à la réduction sont les éléments zinc et eau.

L’énergie est créée par le contact des disques de zinc et de cuivre avec le tissu imbibé de la

solution aqueuse. Le tissu sert de conducteur du courant électrique. Deux languettes en

cuivres permettent de consommer l’électricité. Une des languettes est reliée au premier disque

et l’autre au dernier disque de la pile. [1]

Figure 1 : Principe d’une pile voltaïque.[1]


8

Au niveau atomique, l'oxydation d'un atome de zinc, selon la réaction Zn → Zn2+ + 2 e-

produit deux électrons qui vont transiter dans le circuit électrique, pour atteindre le disque de

cuivre. Les électrons vont alors rencontrer deux molécules d'eau, autre réaction va se

produire, selon la solution : 2 H2O + 2 e- → 2 OH- + H2.

On constate ainsi que le disque de zinc est petit à petit consommé et qu'il y a production

de d’hydrogène. Le potentiel de l'électrode de zinc est le plus bas, c'est le pôle (–) de la pile,

appelé «Anode».

Arrivés à la couche en cuivre, les électrons sont aussi impliqués dans la réduction des ions de

cuivre, suivant la solution + →Ce qui entraîne la croissance de la lame de cuivre. Le potentiel de l'électrode de cuivre est le

plus haut, c'est le pôle (+) de la pile, appelé «Cathode».

La mise en série des couches permet une libération d'énergie plus élevée.[1]

1.2.L’accumulateur électrochimique

Le principe d'un élément de stockage d'énergie électrochimique repose sur l'exploitation de

deux couples oxydo- réducteurs, Ox1/Red1 et Ox2/Red2, se trouvant à deux électrodes

différentes. Les potentiels d'équilibre des deux couples sont tels que E02 > E01. Lorsque l'on

relie les électrodes par un conducteur métallique, des électrons circulent naturellement de

l'électrode négative vers l'électrode positive dans le but d’équilibrer les potentiels. Ainsi,

en arrivant sur l'électrode positive, les électrons vont produire une réaction électrochimique

de réduction du matériau actif. [2]

Figure 2 : Prévision du sens d'une réaction d'oxydoréduction en utilisant la règle du gamma.[3]


9

Les systèmes électrochimiques secondaires (rechargeables), communément appelés batteries

ou accumulateurs, sont des dispositifs dont les systèmes oxydant-réducteurs sont réversibles

(contrairement aux systèmes primaires, les piles, dont la réaction électrochimique est

irréversible). Deux cas sont donc à considérer, selon que le système électrochimique fournit

ou récupère de l'électricité.

La réaction globale du système est donc :+ ⇌ +Pour l’électrochimiste, le lieu de la réduction s’appelle la cathode et le lieu de l’oxydation,

l’anode. Ainsi, selon que l’on soit en charge ou en décharge, la cathode et l’anode de

l’accumulateur s’alternent. À l’inverse, la notion d’électrode positive ou négative

correspond aux potentiels de chaque couple redox. L’industrie utilise plus facilement les

termes de cathode et d’anode respectivement pour les électrodes positives et négatives.

En pratique, les batteries ont besoin pour fonctionner d’un électrolyte où baignent les deux

électrodes pour assurer les échanges ioniques. Ces échanges ioniques s’effectuent entre les

électrodes, de concert avec le mouvement des électrons. On s’assure, également, que le

milieu entre les électrodes est non conducteur électronique (pour éviter les courts-circuits

internes) en se disposant d’un séparateur (isolant électronique, conducteur ionique) entre les

deux. [2]

Figure 3 : Structure d'accumulateur lithium-ion. [2]

Charge

Décharge


10

2.LA TECHNOLOGIE LITHIUM-ION

Pendant plusieurs années, les batteries au nickel-cadmium (NiCd) furent les seules batteries

utilisables dans les appareils portatifs tels que les appareils de communication sans fil et les

ordinateurs portatifs. En 1990, les batteries au nickel-métal-hydrure (NiMH) et les batteries au

lithium-ion (Li-ion) ont été mises sur le marché, offrant ainsi une plus grande capacité. Les

batteries des deux compositions chimiques ont été en concurrence féroce, chacune prétendant

offrir un meilleur rendement et de plus petites dimensions.

Quelle composition chimique gagnera, et quel système pavera le chemin du nouveau

millénaire?

Le gagnant est la Li-ion, surtout pour les portatifs de petites dimensions.

Effectivement, la batterie Li-ion nécessite peu d'entretien, ce qui constitue un avantage

qu'aucune autre composition chimique ne peut égaler. Il n'y a pas de mémoire et aucun

cyclage périodique n'est requis pour prolonger la durée de vie de la batterie. En plus de sa

densité d'énergie élevée et de son poids léger, le degré d'autodécharge de la Li-ion est deux

fois moins élevé que celui de la NiCd et de la NiMH, ce qui fait de la Li-ion un produit qui

convient très bien aux applications modernes utilisant des jauges à essence.

Par contre, la Li-ion est fragile et requiert un circuit de protection pour assurer un

fonctionnement sécuritaire. Le courant de charge est modéré, et la charge de la batterie doit

être effectuée en respectant des normes rigoureuses. En outre, la Li-ion est sujette au

vieillissement, qu'elle soit utilisée ou non.[5]

Les technologies mises en œuvre cherchent à stocker le plus d’énergie possible, au moindre

poids, dans le volume le plus faible. Pour cela les efforts des concepteurs se sont portés

essentiellement sur la famille des batteries Li-Ion.

Aujourd`hui, Les fabricants concentrent leurs travaux sur la production en grande série de

packs de batteries dont la sécurité de fonctionnement est garantie, disposant d’une longue

durée de vie, le tout à un prix acceptable par le marché. Les plus avancés livrent actuellement

des batteries d’une durée de vie atteignant 3000 cycles de charge et décharge, soit ± 300 000

km. Pour illustrer la situation actuelle nous avons regroupé les fournisseurs dans des tableaux

qui montrent leur répartition par technologies et par pays.[4]


11

NiCd NiMH Plomb Li-ion

Densité énergétique (Wh/kg) 45-80 60-120 30-50 110-160

Nombre de cycle decharge/décharge

1500 300 to 500 200 to 300 500 to 1000

Temps de recharge rapide 1h 2-4h 8-16h 2-4h

Tolérance à la surcharge Moyenne Faible Haute Très basse

Autodécharge par mois 20% 30% 5% 10%

Voltage nominal d’une cellule 1.25V 1.25V 2V 3.6V

Courant- en pic- utilisation normale

20C1C

5C0.5C

5C0.2C

plus de 2C1C

Plage de températures defonctionnement(en décharge)

-40 à 60°C -20 à 60°C -20 à 60°C -20 à 60°C

Commercialisé depuis 1950 1990 1970 1991

Figure 4 : Données techniques sur les technologies de stockage d’énergie existantes. [4]

Figure 5 : Comparaison des densités d’énergie volumiques de différents types d’accumulateurs. [5]


12

Figure 6 : Répartition des producteurs de batteries au lithium par technologie. [4]

Figure 7 : Répartition des producteurs de batteries au lithium par pays. [4]


13

3.LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA BATTRIE LI-ION

Le principe de fonctionnement d'un accumulateur lithium-ion (Li-ion) repose sur l'échange

réversible des ions Li+ entre les électrodes positive et négative, tout au long des cycles de

charge ou de décharge. Chacune des électrodes est donc composée de matériaux pouvant

insérer ou désinsérer le lithium de leur structure cristalline, on parle de « matériaux actifs ».

Lors de la décharge, le lithium contenu dans l'électrode négative, se désinsère de la

structure cristalline du matériau, migre et diffuse, sous forme ionique, à travers l'électrolyte,

et vient s'insérer dans le réseau cristallin du matériau de l'électrode positive. Le transfert d'un

ion Li+ dans le circuit interne de l'accumulateur est compensé exactement par le passage

d'un électron dans le circuit électrique externe, générant ainsi un courant électrique. Lors de

la charge, le processus inverse est enclenché par le retour des ions Li+ pour se réinsérer dans

l’électrode négative, et par la diffusion des électrons dans le circuit électrique externe vers

l’anode.[6]

3.1.LES DIFFÉRENTS COMPOSANTS DE LA BATTERIE LI-ION

Les batteries Li-ion, bien qu’ayant toutes le même fonctionnement de base, peuvent intégrer

des matériaux très différents selon les besoins. Nous détaillons ci-dessous les principaux

constituants présents dans une batterie lithium-ion.

3.1.1. L’ELECTROLYTE

L'électrolyte a pour fonction d'assurer le transport des ions Li+ d'une électrode à l'autre.

Idéalement, l'électrolyte pour accumulateur Li-ion doit satisfaire les conditions suivantes :

Figure 8 : Schéma de principe de fonctionnement d’une batterie lithium-ion.[7]


14

offrir une grande conductivité ionique pour les ions Li+, posséder une conductivité

électronique nulle, être stable thermodynamiquement et cinétiquement vis-à-vis des

électrodes et des composants de l'accumulateur (séparateurs, emballage, …), avoir un large

domaine de stabilité thermique (de -20 à 70°C, voire davantage) et avoir un large

domaine de stabilité électrochimique (de 0 à 4,5V vs Li+/Li).

Les électrolytes utilisés dans les accumulateurs Li-ion sont constitués d'un sel de lithium

dissout dans un mélange de solvants organiques (de un à quatre solvants, généralement

des carbonates). Le mélange de ces solvants permet d'associer les différentes propriétés de

chacun et d'obtenir un électrolyte adapté, avec notamment une forte constante diélectrique

(nécessaire pour bien dissocier le sel) et une viscosité faible (pour favoriser l'imprégnation

des électrodes). Du fait de la grande réactivité des sels de lithium avec l'air et l'eau, les

électrolytes utilisés ne contiennent jamais d'hydrogène labile et sont élaborés à base de

solvants organiques anhydres. Le sel de lithium le plus utilisé pour les batteries Li-ion est

l'hexafluorophosphate de lithium, LiPF6. En effet, il présente une bonne solubilité dans la

plupart des solvants utilisés et sa fenêtre de stabilité électrochimique est large.[6]

Figure 9 : Carbonates organiques utilisés comme solvant des électrolytes pour batteries lithium-ion.[7]

3.1.2. LES ÉLECTRODES POSITIVES

3.1.2.1.Les oxydes lamellaires

Les composés lamellaires sont très nombreux. La structure de ces oxydes se décrit par

l’alternance de couches contenant les ions lithium dans un environnement oxygéné et de

couches contenant les ions de métaux de transition (Co, Ni, Mn...) dans un environnement

oxygéné également. Selon la nature du métal de transition, des écarts à cette structure parfaite

peuvent être observés. Ces modifications vont affecter de manière significative la structure et


15

les propriétés de transport du lithium au sein du matériau, et donc les performances

électrochimiques.

On peut citer les plus utilisés :

(LCO) : bien qu’il possède de très bonnes performances (160 mAh/g), il peut

être instable (risque de sécurité important). Son coût reste très élevé cause de la

valeur chère du cobalt. Néanmoins, il reste aujourd’hui le matériau le plus utilisé

dans les batteries lithium-ion pour l’électronique portable grand public.

, , , (NCA) : la présence du nickel nickel et la faible présence de

l’aluminium permet de stabiliser la structure et d’avoir une bonne densité

énergitique, ainsi, une meilleure tenue au cyclage et une très bonne capacité

spécifique (200 mAh/g).

/ / / (NMC) : le NMC est un bon compromis entre une densité

qui reste élevée (180 mAh/g) et un prix faible du fait du manganèse, élément

abondant et peu cher. La sécurité intrinsèque du matériau est également considérée

comme meilleure que pour les autres composés lamellaires. Cette technologie est

en passe de devenir la plus développée dans le milieu automobile.

Avec une tension moyenne de 3,6 V ou 3,7 V, ces composés présentent une très bonne

densité d’énergie (entre 600 Wh/kg et 750 Wh/kg). Ils peuvent néanmoins vieillir

prématurément ou devenir instables, dans certaines conditions, en cas de surcharge, par

exemple.[8]

.

Figure 10 : Structure type (type R-3m). On remarque bien la structure en feuillets.[7]


16

3.1.2.2.Les phosphates de structure olivine

Les composés d’électrodes positives de structure olivine possèdent, eux aussi, un métal de

transition (Ni, Mn, Fe...) dans leurs structures. Le seul composé de ce genre à être

massivement utilisé et commercialisé est le phosphate de fer (LFP). D’un point

de vue structural, ce matériau est très stable et cela malgré un mécanisme d’insertion/

désinsertion d’ions lithium biphasique. En effet, il a été montré que la structure cristalline du

matériau était conservée même après un nombre élevé de cycles de charge/ décharge.

Ce matériau, cristallographiquement très stable, a donc une meilleure tenue au

vieillissement et son plateau de tension en décharge lui procure une puissance utile constante.

Il est également très sûr (chimiquement et thermiquement) et s’emballe beaucoup plus

difficilement qu’un oxyde lamellaire. La synthèse du matériau reste cependant relativement

complexe, d’autant plus que la pureté du matériau est très importante pour les performances

délivrées. Son plateau de potentiel étant relativement bas (3,45 V vs Li+/Li) la densité

d’énergie est moindre qu’avec un matériau lamellaire (170 mAh/g et 580 Wh/kg). Malgré

tout, le LFP est aujourd’hui le matériau d’électrode positive le plus développé en Chine

pour les vélos électriques par la compagnie BYD, en particulier.[8]

Figure 11 : Structure cristallographique du .[8]

3.1.2.3.Le spinelle

Le composé spinelle LiMn2O4 (LMS) est l’un des matériaux les plus matures. Il est, en

effet, étudié depuis de nombreuses années, en particulier au Japon. C’est un composé qui est

aussi très stable, avec un coût de fabrication très faible. Sa structure spinelle ne lui confère

malheureusement pas une capacité massique (120 mAh/g) et une densité d’énergie (380

Wh/kg) importantes. Sa tension moyenne est élevée (3,8V vs Li+/Li) ce qui permet de


17

concevoir plus facilement des packs batteries de forte puissance. Le manganèse de sa

structure peut, néanmoins, se dissoudre facilement (en particulier à haute température et à

l’état déchargé) et ainsi la durée de vie de ce composé est généralement très moyenne.

Malgré ces défauts, ce composé est aujourd’hui utilisé dans des véhicules comme la Peugeot-

ion, la Nissan Leaf et la Chevrolet Volt (parfois, en mélange avec du NMC pour profiter des

avantages des deux matériaux).[8]

Figure 12 : Structure cubique spinelle du .[7]

3.1.3. LES ÉLECTRODES NÉGATIVES

Il existe plusieurs types de matériaux utilisés dans la conception d’électrodes négatives. Les

deux principaux matériaux utilisés actuellement sont le graphite et le titanate de lithium.

À base de carbone

Le graphite a de multiples dérivés (graphite naturel, graphite artificiel, hard carbon, soft

carbon...) mais le principe d’utilisation reste le même. Les ions lithium vont s’insérer à

l’intérieur du graphite, entre les feuillets de graphène qui le composent. Le stade d’insertion

correspond au nombre de plans de graphène séparant deux couches d’intercalation

successives. Il existe, pour le graphite, quatre stades d’intercalation qui sont observables à des

potentiels différents (85, 120, 122, 210 mV vs Li+/Li). Le graphite, en tant que matériaux

d’électrode négative, a une grande capacité massique théorique (370 mAh/g). Léger, il est

également peu coûteux et a un potentiel moyen très faible, proche de celui du lithium

métal. Néanmoins, le processus particulier d’insertion des ions lithium au sein des

feuillets va limiter les vitesses d’insertion et donc les forts régimes. Les processus de

passivation à sa surface sont à l’origine d’une grande partie du vieillissement des batteries

lithium-ion. Ce type de matériau est largement répandu et est présent dans presque

l’intégralité de toutes les batteries lithium-ion actuellement commercialisées. [9]


18

C

LiC24LiC18 LiC12

LiC6

Figure 13 : Les quatre stades d’insertion du graphite avec un taux de lithiation croissant, chacun

correspondant à un potentiel moins élevé visible sur la courbe de décharge.[9]

À base de titane

Figure 14 : Les structures du LTO : a) délithié en cubique spinelle ,

b) lithié en cubique NaCl [7]


19

Le titanate de lithium, de formule (LTO), est le deuxième matériau d’électrode

négative le plus utilisé. Il possède une structure spinelle que l’on peut écrire[ / / ] dans laquelle les sites octaédriques sont occupés par des ions lithium et

titane. Le LTO a un comportement biphasique lors de l’insertion des ions Li+ (entre la

phase spinelle et une autre phase du type NaCl ( )).

Ce processus biphasique se fait, comme pour le LFP, avec une très faible expansion

volumique des mailles cristallographiques lors des charge/ décharge. En outre, le LTO n’est

pas sujet à une passivation massive comme le graphite, ce qui fait de lui un matériau ayant

une très grande durée de vie. De plus, sa structure lui permet d’accepter des régimes

élevés de charge, contrairement au graphite. Ces qualités font du titanate de lithium une

alternative crédible au graphite, en particulier pour des applications orientées en puissance.

Par contre, son plateau de potentiel élevé (1,55 V vs Li/Li+) ne permet pas d’obtenir

une forte densité d’énergie (270 Wh/kg). La présence de titane dans le composé le rend

également plus coûteux que le graphite.

Les différents matériaux d’électrodes décrits ci-dessus sont représentés et résumés sur la

Figure 9. On constate que si différentes technologies cohabitent encore aujourd’hui, c’est

parce qu’aucune d’entre elles n’est vraiment meilleure que les autres sur tous les points

importants (coût, sureté, capacité, durée de vie…).[9]

Figure 15 : Diagramme radar des qualités relatives des différents matériaux d’électrodes pour une batterie

lithium-ion.[10]


20

II. APPLICATION DE LA TECHNOLOGIE LITHIUM-ION

1. SECTEUR ÉLECTRONIQUES

Pour le moment, la majorité du marché porte essentiellement sur l'électronique portable,

c'est-à- dire sur des systèmes de faible puissance (téléphonie mobile, PDA, ordinateurs

portables.), mais dont la durée d'autonomie doit être la plus longue possible. Néanmoins, la

production s'est diversifiée depuis 1991, et dans cette gamme de puissance, on fabrique

désormais ces accumulateurs sous forme de bouton, cylindrique ou prismatique.[11]

2. SECTEUR MÉDICALE

Dans le domaine médical, les piles au lithium sont prépondérantes. Le premier pacemaker

a d'ailleurs été équipé d'une pile lithium en 1972.

Les accumulateurs commencent cependant à investir le segment, et ils semblent promis à

un bel avenir (implants auditifs, capteurs rétiniens, stimulateurs musculaires.).

A ce jour, les batteries lithium-ion du marché ne satisfont pas à toutes les exigences des

équipements implantables, à commencer par la taille, le volume étant fixé à 1 cm3, soit dix

fois moins que la plupart des modèles équipant, par exemple, les téléphones portables.

Mais la technologie lithium-ion est la seule à offrir de réelles perspectives en terme

d'énergie volumique et de duré de vie, et la seule capable de délivrer un niveau d'énergie

satisfaisant à 37 . [12]

3. SECTEUR DE TRANSPORT

On remarque au tableau suivant, que les entreprises spécialistes de la batterie pour

automobiles sont largement situées en Asie et, plus particulièrement, au Japon et en Corée.

Ces entreprises sont, aujourd’hui, les leaders de ce genre de technologie.

Jusqu’à maintenant, c'est l'accumulateur NiMH qui a semblé le mieux convenir au

véhicule hybride. En témoignent la commercialisation mondiale de la Prius par Toyota depuis

1997, véhicule équipé d'une batterie 6,5 Ah - 21 kW, ou la mise sur le marché aux Etats-Unis

du Ford Escape SUV hybrid depuis 2005. Manifestement, du côté de la technologie lithium-

ion, le stade du prototype n'a pas encore été réellement dépassé. Certes, dans la catégorie

voiture de sport, la société Tesla Motor propose bien un véhicule électrique depuis peu, mais


21

ce genre de produits reste confiné à un marché de niche, et correspond à une fabrication en

très petite série compte tenu de son prix (entrée de gamme à partir de 98000 $).

Figure 16 : Alliances entre constructeurs automobiles et spécialistes batterie en 2011.[13]

Le Roadster de Tesla est propulsé par un moteur à induction de 250 ch/ 175 kW à 4 paires de

pôles, et alimenté par un pack d'éléments lithium-ion de 53 kWh. Le véhicule, qui comporte

6831 éléments lithium-ion (cellule de diamètre 18 mm, hauteur 65 mm), affiche une


22

autonomie de 320 km à 400 km, ce qui équivaut à une consommation en hydrocarbure de

1,74 litre pour 100 km. En outre le simple fait d'assembler un grand nombre d'éléments a

réduit l'énergie de chaque élément, et par là même les risques d'incendie de la batterie.[13]

4. SECTEUR SPATIAL

Pour ce qui est des applications de type puissance, les réalisations les plus abouties se

retrouvent essentiellement dans le domaine aérospatial, secteur pour lequel la durée de vie et

la fiabilité sont les principaux critères. Tel est le cas du projet GALILEO, système basé sur

une constellation de 30 satellites. Le rôle des modules électrochimiques lithium-ion à bord,

servent à fournir l’énergie de 1,5 KW au satellite lorsque ces panneaux solaires éclipsés par

la Terre. Chaque module est constitué de neuf batteries connectées en série, chaque batterie

étant constituée de trois éléments de type VES180S en parallèle, technologie similaire aux

éléments VES140 mais plus améliorée.[14]

Element VES 140 VES 180

capacité (A.h) 39 50

tension nominale à C/1,5 (V) 3,6 3,6

tension de fin de charge (V) 4,1 4,1

énergie (Wh) 140 180

énergie spécifique (Wh/kg) 126 165

hauteur (mm) 250 250

diamètre (mm) 54 53

masse (kg) 1,13 1,11

Figure 17 : Elément VES140 utilisé pour le projet GALILEO.[14]

III. CONTRAINTES D’UTLISATION DE LA BATTERIE LI-ION

Les batteries utilisées dans les véhicules sont soumises à des profils complexes. En effet,

ces profils reflètent l’utilisation chaotique de la traction opérée par le conducteur, lors de

trajets, et qui se caractérisent par des vitesses et puissances bien loin d’être constantes et

régulières. Contrairement à l’utilisation d’un ordinateur portable, constituée de charges et

de décharges répétitives, les profils automobiles peuvent être considérés comme erratiques.


23

Aussi, Les plages d’utilisation en courant et température sont très importantes. La

température extérieure varie de -10°C j’jusqu’à +40°C au cours de l’année, et ceci sans

compter les effets de réverbérations que l’on peut observer sur les parkings pendant l’été

en plein soleil.

Les constructeurs sont soucieux de ces problèmes et mettent en place de plus en plus

d’équipements (ceinture de sécurité, ABS, ESP, airbag...) afin de s’assurer la sécurité des

passagers. Bien sûr, le passage du véhicule thermique au véhicule électrifié permet

d’introduire d’autres mesures de sécurité. En effet, les batterie lithium-ion peuvent

s’échauffer ou exploser si leurs tensions aux bornes ou leurs températures sont pas bien

contrôlées, ou encore lors d’un impact ou un accident violent.

Plusieurs mesures sont mises en œuvre afin d’écarter tout problème ou complication, et

plusieurs niveaux de stratégie sont déjà adoptées.

La première consiste à utiliser des matériaux considérés comme intrinsèquement plus sûr

(comme le LFP par exemple). Néanmoins, aucune des technologies existantes ne peut être

garantie à 100%.

Une deuxième stratégie consiste à enfermer solidement les cellules au sein d’un pack très

résistant et/ou de disposer celui-ci à l’abri de déformation. En cas d’incident, les éléments

électrochimiques seront peu ou pas touchés, laissant le temps à des passagers de prendre des

mesures.

Une troisième stratégie consiste à contrôler et réguler les paramètres des cellules comme

le courant, la température ou la tension. Cette stratégie de sécurité se situe donc à tous

les niveaux du pack batterie, de la chimie de cellule au pack en passant par la cellule

électrochimique individuelle.

De manière générale, les constructeurs automobiles sont attentifs à ces problèmes. Ils

ont pleinement conscience de la mauvaise image durable, que pourraient acquérir la

marque et les véhicules électrifiés, en cas d’événement grave.[15]


24

IV. CONCLUSION

L’électrochimie lithium-ion est fondée sur l’emploi de composés d’insertion du

lithium. L’électrode négative (anode) est constituée de graphite et l’électrode positive

(cathode) est un composé métallique comportant du lithium. Le Li-ion doit son exceptionnelle

aptitude au cyclage à la préservation de la structure de ses électrodes : la charge et de la

décharge se traduisent seulement par un échange d’ions lithium entre les électrodes

par l’intermédiaire de l’électrolyte. Du fait de la tension élevée (jusqu’à 4,2 V), il s’agit d’un

électrolyte non aqueux, constitué principalement d’un mélange de carbonates organiques.

Différentes matières actives pour la positive sont employées: oxydes lithiés de cobalt, de

nickel, d’aluminium ou de manganèse ou phosphate de fer et de lithium.

Les caractéristiques spécifiques des éléments Li-ion exigent un système adapté de gestion et

de contrôle de la batterie. Le contrôle de la charge et de la décharge, le système d’interface

avec l’application, la communication et la sécurité doivent être considérées comme un tout et

doivent être optimisés en fonction du type d’application et des conditions de fonctionnement.

CHAPITRE II

ÉLÉMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DES BATTERIES LI-ION

CHAPITRE II : ÉLÉMENTS PHYSICO-CHIMIQUES DES ACCUMULATEURS LITHIUM-ION

I. INTRODUCTION

Après une présentation générale appuyée sur l’état de l'art mettant en avant l'étendu

développement de la technologie lithium-ion, ce second chapitre met l'accent sur les

éléments physico-chimiques des accumulateurs, volet indispensable, sinon essentiel, autour

duquel viennent logiquement s'articuler les deux prochains chapitres. Cette étude est en

outre un préalable nécessaire pour une meilleure compréhension des phénomènes

complexes mis en jeu dans une batterie.

Il nous semble naturel d'entamer cette section en donnant quelques repères sur le choix de

la technologie utilisée pour réaliser notre modèle de batterie. Il s’en suit, l’intégration du

modèle électrochimique ;ce concept, mêlant la chimie à la physique, peut non seulement

nous permettre d’identifier les phénomènes qui limitent la performance des cellules et de

nous faire comprendre les mécanismes fondamentaux de la génération de puissance, mais de

nous offrir également de très bonnes prédictions pour optimiser la conception des batteries.

En général, le modèle électrochimique décrit les phénomènes de masse, d'énergie, et de

transport dynamique de chaque espèce pour chaque phase et chaque composant de la

cellule [16] [17]. Si la modélisation électrochimique prédit l'évolution des quantités

macroscopiques comme la tension de la cellule et son courant, elle précise aussi la

distribution locale en concentration, potentiel, courant et température à l'intérieure de la

cellule à une échelle microscopique.

De par sa nature essentiellement physique, ce modèle est extrêmement important pour

comprendre et améliorer la chimie des cellules électrochimiques [18] [19]. En revanche il

est rarement utilisé pour la conception et le dimensionnement de système d'électronique de

puissance où seules les grandeurs globales (tension, SOC, courant.) guident l'ingénieur.

25


II. CARACTÉRISATION PHYSICO-CHIMIQUE DE L’ACCUMULATEUR

LI-ION

Loin d'avoir atteint sa maturité, la technologie de batteries lithium-ion fait l'objet

d'améliorations constantes. Afin de comprendre les possibilités de perfectionnement que

recèle cette technologie, il importe d'examiner comment sont fabriquées l'anode et la cathode

des cellules d'aujourd'hui.

1. MATÉRIAU ACTIF DE LA CATHODE-SPINELLE LiMn2O4 (LMO)

Au début des années 1990, la batterie Li-ion commercialisée par Sony est basée sur

l’utilisation de LiCoO2 comme électrode positive. À l’époque, cependant, le spinelle

LiMn2O4 était attractif en raison de son potentiel redox élevé (4.25 V), bien que donnant des

performances électrochimiques médiocres avec, notamment, une migration du Mn de

l’électrode positive vers l’électrode négative via un problème de dissolution lié à des

problèmes d’électrolytes et d’instabilité structurale [20]. Les électrolytes jusque-là utilisés

n’étant point stables à haut potentiel. Sur la base de calculs de DFT (Théorie de la

Fonctionnelle de la Densité) associés à des considérations de solvatation, constante

diélectrique et viscosité, les professeurs D.Guyomard et J-M Tarascons ont élaboré un nouvel

électrolyte, combinant des carbonates cycliques et acycliques associés à LiPF6 ; celui-ci s’est

avéré stable jusqu’à 5 V et il est actuellement commercialisé mondialement sous le nom de

LP30. Il a ainsi permis d’explorer le domaine de potentiel au-dessus de 4.3 V et d’optimiser le

spinelle LiMn2O4. En effet, un autre problème inhérent à LiMn2O4, et lié à une non

stoichiométrie, réside dans l’existence d’une transition structurale associée à la présence

d’une concentration en Mn+3 supérieure à 1. Celle-ci entraîne une distorsion de l’octaèdre et

un changement de volume de plus de 10% de la maille cristallographique. Ce changement

répété du volume lors des charges-décharges étant néfaste au cyclage, il était important d’y

remédier. Sur la base de considérations structurales, il a été possible, soit par excès de Li sur

des sites du Mn soit par une double substitution cationique (Al pour Mn) et anionique (O pour

F), de diminuer la concentration en Mn+3 dans le matériau, évitant ainsi la transition

structurale. Une fois le changement de volume éliminé, de bonnes tenues en cyclage purent

être obtenues à température ambiante.Ces travaux, couplés à des méthodes d’enrobage, ont

conduit à la batterie Li-ion LiMn2O4/C à électrolyte liquide sur laquelle repose le projet

Alliance entre Renault et Nissan. [21]

26


Figure18 : Capacité et voltage de différentes cathodes utilisées dans la technologie Li-ion. [22]

𝑳𝒊𝑪𝒐𝑶𝟐 𝑳𝒊𝑴𝒏𝟐𝑶𝟒 𝑳𝒊𝑭𝒆𝑷𝑶𝟒

Tension nominale 3.7V 3.9V 3.2V

Tension de charge max. 4.2V 4.25V 3.6𝑉∗

Densité (g/𝒄𝒎𝟑) 5.1 4.2 3.6 Densité volumique

(Wh/L) 560 420 330

Densité massique (Wh/Kg) 195 150 90~130

Débit C de charge et de décharge 1 C max 10 C constants

40 C impulsions 35 C constants

Capacité théorique (mAh/g) 274 148 170

Capacité pratique (mAh/g) 120~155 100~130 100~160

Stabilité thermique faible bonne bonne Environnement toxique vert vert

Prix ($/kg) 15 0.5 0.23

*Des tensions plus élevées donnent une capacité accrue, mais réduisent le cycle de vie

Figure 19 : Comparaison entre les matériaux cathodiques de la technologie Li-ion [23][24][25].

27


2. MATÉRIAU ACTIF D’ANODE-GRAPHITE 𝑳𝒊𝑪𝟔

Dans une batterie lithium-ion, l'anode est habituellement faite de graphite 𝐿𝑑𝑑𝐶6. En raison de

sa structure électronique, il présente une conductivité élevée pouvant atteindre 25 000

S/cm2 sur la surface d'un monocristal. On a choisi principalement ce matériau pour les

électrodes négatives, parce qu'il peut recevoir de façon réversible les ions de lithium entre ses

nombreuses couches. Cette capacité électrochimique réversible peut se maintenir durant

plusieurs milliers de cycles dans les batteries munies d'électrodes optimisées. Pour cette

application, il importe cependant que la surface de graphite soit compatible avec la

composition chimique des batteries au lithium-ion utilisées (sels, solvants et liants). [26]

Figure20 :Insertion de quantité suffisante de Li dans l’anode lors du chargement conduisant à la formation

du 𝑳𝒊𝑪𝟔. [26]

La formation de 𝐿𝑑𝑑𝐶6 résulte de l’insertion d’atomes lithium entre les plans carbonés de

l’anode. À température ambiante, le graphite peut accueillir un atome de lithium pour six

atomes de carbone. Lors d’une charge d’une cellule lithium ion, la proportion d’atomes de

lithium par rapport au nombre d’atomes de carbone évolue. Ainsi, lors d’une charge, la

formation de 𝐿𝑑𝑑𝐶32 est préalable à celle de 𝐿𝑑𝑑𝐶12 puis à 𝐿𝑑𝑑𝐶6.

28


3. LIANT PVDF (POLYFLUORURE DE VINYLIDÈNE)

La fonction principale de liant dans les batteries Li-ion est de confiner les particules des

matériaux d’électrode et les mettre au contact avec les collecteurs de courant qui sont en

feuille d'aluminium et de cuivre.

Une électrode cathodique s'obtient le plus souvent en mélangeant à un matériau actif en

poudre, un liant en poudre, un solvant et des additifs afin de produire une barbotine (pâte)

qu'on pompe ensuite vers une machine à revêtement. Une électrode anodique s'obtient un peu

de la même façon, mais le matériau actif utilisé est dans ce cas du graphite. Les machines à

revêtement enduisent de barbotine les deux côtés d'une feuille d'aluminium pour la cathode et

d'une feuille de cuivre pour l'anode. Les feuilles enduites sont par la suite laminées afin

d'uniformiser l'épaisseur des électrodes. Enfin, la dernière étape consiste en le calibrage par

cisaillement des électrodes.

Le PVDF est un polymère largement utilisé comme matériau de liaison dans la fabrication des

batteries au lithium-ion, notamment pour les cathodes. Il doit être combiné à un solvant : le

NMP (N-méthyl-pyrrolidine). Ce liant présente une bonne résistance aux tensions élevées, et

offre également une bonne stabilité électrochimique au contact des mélanges

d'électrolytes.[24]

4. SÉPARATEUR EN POLYPROPYLÈNE

Dans une batterie au lithium-ion, le séparateur joue un rôle essentiel, qui est de séparer la

cathode de l'anode. C'est grâce à cette séparation de la charge que la batterie peut produire de

l'électricité. Pendant le cycle de charge, les ions de lithium chargés positivement se déplacent

de la cathode vers l'anode en passant au travers du séparateur. Durant le cycle de décharge,

ces mêmes ions se déplacent de l'anode vers la cathode en passant au travers du séparateur,

tandis que les électrons bougent de l'anode vers la cathode en passant par le circuit extérieur

de charge, ce qui crée le courant produisant la puissance de sortie utile. Les ions de lithium

traversent le séparateur au moyen d'une solution électrolytique. Les batteries au lithium-ion

destinées aux appareils électroniques de grande consommation, les batteries de plus grande

taille destinées aux véhicules électriques constituent une évolution importante, et nécessitent

une technologie de séparateur plus perfectionnée.

29


C'est pourquoi nous proposons dans notre modèle un séparateur en polypropylène adapté aux

batteries de grande taille. Les principaux avantages de notre séparateur en polypropylène sont

les suivants: [24]

• une température d'arrêt thermique plus élevée (158 °C comparativement à 122,5 °C

pour le séparateur en polyéthylène),

• une distribution et une taille homogènes des pores,

• une résistance élevée aux perforations,

• une faible contraction (< 4 % à 105 °C),

• une excellente perméabilité à l'air de 20 à 40 secondes (Gurley), porosité de > 40.

5. ÉLECTROLYTE LiPF6

La solution électrolytique liquide joue un rôle essentiel dans le transport des ions positifs de

lithium de la cathode à l'anode. Également, les solutions d'électrolyte à pureté élevée

constituent une composante importante des batteries au lithium-ion.

L'électrolyte le plus couramment utilisé est composé du sel de lithium LiPF6 dissous dans une

solution organique. On doit ajouter à la solution électrolytique divers additifs qui permettent

d'améliorer la stabilité de l'électrolyte en prévenant la formation de structures dendritiques et

la dégradation de la solution.

La solution électrolytique LiPF6 convient à tous les types de batteries utilisées pour les

appareils électroniques de grande consommation ou pour les véhicules électriques, elle

présente : [24]

• un bon cycle de vie.

• une excellente stabilité hydrolytique et thermique.

• une conductivité élevée.

• un régime de décharge élevé.

• une amélioration considérable de l'efficacité du débit de sortie du courant de forte

tension.

• un bon rendement à haute température.

• un excellent rendement du système anti-surcharge.

30


6. GÉOMÉTRIE SPIRALE

Grâce à ce modèle mathématique, la conductivité thermique devient anisotrope, elle permet

ainsi une dissipation longitudinale et radiale de la chaleur.

7. BOÎTIER CYLINDRIQUE

Notre cellule cylindrique sera enveloppée d'une gaine extérieure en acier inoxydable. Il s'agit

de la méthode d'encapsulation des cellules au lithium-ion la plus couramment utilisée de nos

jours. Cette configuration de pile est plus facile à fabriquer et le scellement de la gaine

extérieure permet une résistance élevée aux pressions internes. La coque de la cellule

cylindrique est également dotée d'un évent refermable pour l'évacuation de la pression en cas

de charge excessive.

Les piles cylindriques sont normalement utilisées pour les appareils de communication sans

fil, les instruments biomédicaux, les outils électriques et les applications qui ne nécessitent

pas une taille très compacte. [24]

Figure 21: Illustration schématique d’une cellule cylindrique Li-ion. [27]

Séparateur Anode

Collecteur courant d’anode Cu Cathode

Collecteur courant de cathode Al Boîtier

31


Charge

Décharge

III. ASPECT CHIMIQUE ET ÉLÈCTROCHIMIQUE

1. RÉACTIONS CHIMIQUES PRINCIPALES

Comme nous l’avons évoqué précédemment, le principe de fonctionnement d’un

accumulateur Li-ion repose sur l’échange des ions 𝐿𝑑𝑑+ d’une électrode à une autre. Les

principales réactions en charge et en décharge de cet accumulateur sont les suivantes :

Réaction globale

𝑳𝒊𝑴𝒏𝟐𝑶𝟒 + 𝑪𝟔 ⇌ 𝑳𝒊𝟏−𝒙𝑴𝒏𝟐𝑶𝟒 + 𝑳𝒊𝒙𝑪𝟔 2.1

Réaction en charge à la cathode

𝐿𝑑𝑑𝑀𝑛2𝑂4 ⇾ 𝑥𝐿𝑑𝑑+ + 𝑥𝑒− + 𝐿𝑑𝑑1−𝑥𝑥𝑀𝑛2𝑂4 2.2

Réaction en décharge à la cathode

𝐿𝑑𝑑1−𝑥𝑥𝑀𝑛2𝑂4 + 𝑥𝐿𝑑𝑑+ + 𝑥𝑒− ⇾ 𝐿𝑑𝑑𝑀𝑛2𝑂4 2.3

Au niveau de l’électrode négative, les phénomènes d’insertion et de désinsertion des ions

lithium dans le graphite s’expriment par les réactions suivantes :

Réaction en charge à l’anode

𝐶6 + 𝑥𝐿𝑑𝑑+ + 𝑥𝑒− ⇾ 𝐿𝑑𝑑𝑥𝐶6 2.4

Réaction en décharge à l’anode

𝐿𝑑𝑑𝑥𝐶6 ⇾ 𝐶6 + 𝑥𝐿𝑑𝑑+ + 𝑥𝑒− 2.5

Figure 22: Accumulateur Li-ion de technologie LiMn2O4.[28] 32


2. BILAN ÉLECTROCHIMIQUE

À partir des réactions chimiques établies, il est possible d’établir un bilan des potentiels

chimiques et électrochimiques mis en œuvre au sein d’une cellule. Suite à ces potentiels

chimiques, le potentiel électrique de chaque électrode peut être déterminé.

Les principales relations permettant d’aboutir à cette évaluation sont rappelées dans cette

section.

2.1.PHÉNOMÈNES STATIQUES

2.1.1. Potentiel chimique et électrochimique

Le potentiel chimique d’une espèce i est défini par :

𝑢𝑑𝑑 = 𝑢𝑑𝑑0 + 𝑅𝑅𝑇𝑙𝑛 𝑎𝑑𝑑 2.6

𝑢𝑑𝑑0 : le potentiel chimique propre du constituant i dans l’état standard secondaire, avec 𝑎𝑑𝑑 l’activité de l’espèce i. 𝑅𝑅 : la constante de Boltzmann 𝑅𝑅 = 8.314 𝐽/𝑚𝑜𝑙.𝐾 𝑇 : température. Afin de tenir compte de l’effet du gradient de champ électrique sur les espèces chargées

présentes en solution, Bulter et Guggenheim ont introduit la notion de potentiel

électrochimique [29]. Celui-ci est défini par :

𝑢𝚤� = 𝑢𝑑𝑑 + 𝑧𝑑𝑑𝐹Ø 2.7

𝑢𝚤� : le potentiel électrochimique de l’espèce chargée i. 𝑧𝑑𝑑 : le nombre de charge de l’espèce i. 𝐹 : la constante de faraday 𝐹 = 96500𝐶. Ø : le potentiel électrochimique. 𝑢𝑑𝑑 : le potentiel chimique d’une espèce i.

2.1.2. Relation de Nernst

La relation de Nernst est l’équation permettant de relier le potentiel réversible d’une électrode

à la variation d’enthalpie libre de la réaction d’oxydo-réduction :

𝑂𝑥 + 𝑛𝑒− ⇌ 𝑅𝑅 2.8

∆𝐺 = −𝑛𝐹𝐸𝐸 2.9

33


La variation d’enthalpie libre ∆𝐺 est également en fonction des potentiels chimiques et

électrochimiques des espèces présentes dans cette réaction. [22]

∆𝐺 = ∑𝑣𝑑𝑑𝑢𝑑𝑑 2.10

𝑣𝑑𝑑: représente les coefficients stœchiométriques des produits et des réactifs, par convention, les coefficients des produits sont positifs et ceux des réactifs sont négatifs.

2.1.3. Potentiel électrique d’électrode

Lorsqu’une électrode est le siège d’une réaction d’oxydo-réduction, son potentiel est défini

par l’équation : [30]

𝑂𝑥 + 𝑛𝑒− ⇌ 𝑅𝑅

𝐸𝐸 = 𝐸𝐸0 + 𝑅𝑅𝑇𝑀𝑀𝐹𝑙𝑛 𝑎𝑂𝑥𝑥

𝑎𝑅 2.11

𝐸𝐸0 : le potentiel standard de l’électrode. 𝑎𝑂𝑂𝑥𝑥: l’activité de l’espèce oxydante. 𝑎𝑅𝑅 : l’activité de l’espèce réductrice.

2.1.4. Résistance interne

La résistance interne 𝑅𝑅𝛺 d’un accumulateur résulte de la somme de deux termes distincts.

D’une part les diverses résistances de connectique𝑅𝑅𝑡𝑡, d’autre part la résistance 𝑅𝑅𝑅𝑅 de

l’électrolyte que nous détaillons ci-après.

La circulation du courant au cœur de la solution est essentiellement due à la migration des

ions. Afin de caractériser le déplacement de ces espèces, nous définissions la conductivité K

d’une électrolyte : [30]

𝐾 = 𝐹2 ∑�𝑧𝑑𝑑2�𝑢𝑑𝑑𝐶𝑑𝑑 2.12

𝐶𝑑𝑑 : la concentration de l’espèce considéré i. 𝑢𝑑𝑑: la mobilité d’une espèce ionique i. 𝑧𝑑𝑑 : la charge de l’espèce i.

À partir de la conductivité, nous introduisons la résistance 𝑅𝑅𝑅𝑅 de l’électrolyte, contenu entre 2

électrodes de surface A et distantes d’une épaisseur l.

𝑅𝑅𝑅𝑅 = 𝑙𝐾𝐴

2.13

34


𝐼𝐼𝑂𝑂𝑥𝑥 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅

Au final, on considère la résistance interne de l’accumulateur 𝑅𝑅𝛺 telle que :

𝑅𝑅𝛺 = 𝑅𝑅𝐶𝐶 + 𝑅𝑅𝑅𝑅 2.14

2.2.PHÉNOMÈNES DYNAMIQUES

2.2.1. Le transfert de charge

Dans le cas très général de la réaction d’oxydo-réduction :

𝑂𝑥 + 𝑛𝑒− ⇌ 𝑅𝑅

La théorie de la cinétique chimique nous permet de relier le courant circulant à travers

l’électrode à l’ensemble des phénomènes dynamiques présents (transfert de charge et transfert

de masse) :

𝐼𝐼 = 𝐼𝐼0 𝐶𝐶𝑅,𝑠𝐶𝐶�̅�

𝑒𝑥𝑝 𝛼𝛼𝑀𝑀𝐹(𝐸−𝐸𝑒𝑞)𝑅𝑅𝑇

− 𝐼𝐼0𝐶𝐶𝑂𝑥𝑥,𝑠𝐶𝐶�̅�𝑥𝑥

𝑒𝑥𝑝 −(1−𝛼𝛼)𝑀𝑀𝐹(𝐸−𝐸𝑒𝑞)𝑅𝑅𝑇

2.15

Cette équation traduit l’interaction existante entre les réactions d’oxydation et de réduction de

la réaction réversible. Ainsi, le courant circulant à travers l’électrode résulte de la compétition

de deux courants différents : un courant anodique 𝐼𝐼𝑂𝑂𝑥𝑥résultant de la réaction d’oxydation, et

un courant cathodique 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 provenant de la réaction de réduction.

𝛼𝛼: le coefficient de transfert de charge relatif à la réaction anodique. 𝐶𝑅𝑅,𝑠 : la concentration des réductions à la surface de l’électrode. �̅�𝑅𝑅 : la concentration des réducteurs au cœur de la solution. 𝐶𝑂𝑂𝑥𝑥,𝑠: la concentration des oxydants à la surface de l’électrode considérées. �̅�𝑂𝑂𝑥𝑥: la concentration des oxydants au cœur de la solution. Lorsque la réaction d’oxydo-réduction n’est soumise qu’aux phénomènes de transfert de

charge, (les phénomènes de transfert de masse sont négligés), alors, les concentrations des

réactifs et des produits seront uniformes dans l’électrolyte.

En conséquence :

𝐶𝐶𝑅,𝑠 𝐶𝐶�̅�

= 1 2.16

et 𝐶𝐶𝑂𝑥𝑥,𝑠

𝐶𝐶�̅�𝑥𝑥= 1 2.17

35


En reportant ces relations dans l’équation du courant, en posant 𝑓 = 𝐹𝑅𝑅𝑇

et 𝜂𝜂𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝐸𝐸 − 𝐸𝐸𝑅𝑅𝑒𝑒,

nous obtenons l’équation de Butler-Volmer régissant le transfert de charge.

𝐼𝐼 = 𝐼𝐼0�𝑒𝑥𝑝𝛼𝛼𝑀𝑀𝑑𝑑𝜂𝑡𝑐 − 𝑒𝑥𝑝−(1−𝛼𝛼)𝑀𝑀𝑑𝑑𝜂𝑡𝑐] 2.18

Figure 23 : Caractéristique statique courant I - surtension d'électrode η.

Le courant d’échange 𝐼𝐼0 de la réaction d’oxydo-réduction est donné par : [30]

𝐼𝐼0 = 𝑛𝐹𝐴𝑘0�̅�𝑂𝑂𝑥𝑥𝛼𝛼�̅�𝑅𝑅

(1−𝛼𝛼) = 𝑛𝐹𝐴𝑘0�̅�𝑅𝑅(1−𝛼𝛼)�̅�𝑂𝑂𝑥𝑥

𝛼𝛼 2.19

𝛼𝛼 : le coefficient de transfert de charge relatif à la réaction anodique. 𝛼𝑡𝑡 : le coefficient de transfert de charge relatif à la réaction cathodique. 𝜂𝜂𝑡𝑡𝑡𝑡 : le surpotentiel de l’électrode dû au transfert de charge. 𝐴 : la surface de l’électrode où sedéroule la réaction d’oxydo-réduction. 𝐹 : la constante de faraday. 𝑘0 : la constante de vitesse standard de la réaction d’oxydo-réduction ,elle caractérise le temps mis par cette réaction pour atteindre l’équilibre. Une constante 𝑘0élevée correspond à un équilibre rapidement atteint, à contrario, une constante 𝑘0faible correspond à un équilibre lentement atteint.

36


2.2.2. La capacité de double couche

On appelle double couche électrique, la zone correspondant à l’interface électrode électrolyte

où on peut observer une séparation des charges électriques. Cette séparation dépend de

nombreux facteurs tels que les propriétés électrochimiques du solide, ou l’adsorption des ions.

Différents modèles ont été développés pour décrire les propriétés électriques de la double

couche. L’un des plus simples est le modèle de Helmhotz qui associe la capacité de double

couche à un condensateur plan [29]. Ce modèle suppose que les charges positives et négatives

sont situées dans deux plans séparés par une distance 𝐿𝐻.

Pour ce modèle particulier, la valeur de la capacité surfacique est donnée par l’expression :

𝐶𝐻 = 𝑅𝑅𝑒𝑒𝑅𝑅∆Ø

= 𝜀𝜀0𝐿𝐿𝐻

2.20

𝜀 : la constante diélectrique du milieu. 𝜀0 : la permittivité du vide. 𝐿𝐻 : la distance séparant les charges positives des charges négatives. 𝑞 = 𝑞𝑚 : la densité de charge. ∆Ø : la différence de potentiel entre l’électrode et l’électrolyte. La représentation de Helmholtz n’est pas unique, des modèles plus complexes existent tels

que ceux de Gouy-Chapman ou de Stern [29][30]. Cependant, quel que soit le modèle utilisé,

la double couche est assimilée à un condensateur. La difficulté de cette représentation réside

principalement dans l’identification de la capacité équivalente et de son placement dans le

cadre d’un modèle à constante localisée.

2.2.3. Le transfert de masse

C’est le transfert de la matière du cœur de l’électrolyte à la surface de l’électrode et vice

versa. Trois processus distincts sont à l’origine de ce phénomène :

2.2.3.1.Le transfert par diffusion

Il concerne le déplacement d’une espèce i sous l’effet d’un gradient de potentiel chimique. En

d’autres termes une variation spatiale de concentration d’une espèce i se traduit par un flux

dont l’expression est donnée par la première loi de Fick :

𝐽𝑅𝑅𝑑𝑑 (𝑥, 𝑡) = −𝐷𝑑𝑑 𝜕𝐶𝐶𝑖𝑖(𝑥,𝑡𝑡)𝜕𝑥

2.21

𝐷𝑑𝑑 : le coefficient de diffusion de l’espèce i à l’électrode considérée en 𝑚2𝑠−1. 𝐶𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) : la concentration de l’espèce en 𝑚𝑜𝑙.𝑚3.

37


2.2.3.2.Le transport par migration

Le déplacement d’une espèce chargée n’est pas uniquement dû aux variations de

concentrations ou à l’activité de cette espèce. Le champ électrique contribue également au

déplacement des espèces chargées (les ions).

Le flux résultant est donné par l’expression :

𝐽𝑀𝑀𝑑𝑑 (𝑥, 𝑡) = −𝑧𝑖𝑖𝐹𝑅𝑅𝑇𝐷𝑑𝑑𝐶𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) 𝜕Ø(𝑥,𝑡𝑡)

𝜕𝑥 2.22

𝑧𝑑𝑑 : la charge de l’espèce i. Ø(𝑥, 𝑡) :le potentiel électrostatique au point x à l’instant t.

2.2.3.3.Le transport par convection

Pour être complet au niveau du recensement des phénomènes dynamiques, nous devons

également tenir compte des phénomènes de transport par convection. Ce type de phénomène

concerne le déplacement de matière sous l’effet d’un gradient de température de pression ou

d’agitation mécanique.

L’expression du flux pour ce mouvement est donnée par l’équation:

𝐽𝑡𝑡𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) = 𝐶𝑑𝑑(𝑥, 𝑡)𝑣(𝑥, 𝑡) 2.23

𝑣(𝑥, 𝑡) : la vitesse du fluide en mouvement en 𝑚𝑠−1.

Lorsque les trois modes de transport contribuent au déplacement d’une même espèce i nous

obtenons l’équation de Nernst-Planck :

𝐽𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) = 𝐽𝑅𝑅𝑑𝑑 (𝑥, 𝑡) + 𝐽𝑀𝑀𝑑𝑑 (𝑥, 𝑡) + 𝐽𝑡𝑡𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) 2.24

𝐽𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) = −𝐷𝑑𝑑 𝜕𝐶𝐶𝑖𝑖(𝑥,𝑡𝑡)𝜕𝑥

− 𝑧𝑖𝑖𝐹𝑅𝑅𝑇𝐷𝑑𝑑𝐶𝑑𝑑(𝑥, 𝑡) 𝜕Ø(𝑥,𝑡𝑡)

𝜕𝑥+ 𝐶𝑑𝑑(𝑥, 𝑡)𝑣(𝑥, 𝑡) 2.25

3. SCHÉMA ÉLECTRIQUE ÉQUIVALENT

La réaction d’oxydoréduction complète à l’électrode positive est donnée par la solution :

𝐿𝑑𝑑𝑀𝑛2𝑂4 ⇌ 𝑥𝐿𝑑𝑑+ + 𝑥𝑒− + 𝐿𝑑𝑑1−𝑥𝑥𝑀𝑛2𝑂4

En appliquant la relation de Nernst de la réaction d’oxydo-réduction complète à l’électrode

positive, nous déterminons le potentiel de l’électrode positive telle que :

𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4 = 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4𝑅𝑅𝑒𝑒 + 𝜂𝜂𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4

𝑅𝑅𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 + 𝑅𝑅𝑇𝑀𝑀𝐹𝑙𝑛

𝑎𝐿𝑖𝑖+𝑆

𝑎𝐿𝑖𝑖+𝑟𝑒𝑓 2.26

𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4𝑅𝑅𝑒𝑒 : le potentiel d’équilibre de l’électrode positive.

𝜂𝜂𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4𝑅𝑅𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 : le surpotentiel dû au transport de masse des ions 𝐿𝑑𝑑+ dans l’électrode.

𝑅𝑅𝑇𝑀𝑀𝐹𝑙𝑛


𝑎𝐿𝑖𝑖+𝑟𝑒𝑓 : le surpotentiel dû à la limitation du transport des ions 𝐿𝑑𝑑+ dans l’électrolyte.

38


On procède de même pour déterminer le potentiel à l’électrode négative en partant de la

réaction d’oxydo-réduction complète sur cette électrode.

𝐶6 + 𝐿𝑑𝑑+ + 𝑒− ⇌ 𝐿𝑑𝑑𝐶6 2.27

En utilisant à nouveau la relation de Nernst, nous déterminons le potentiel de l’électrode

négative telle que :

𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6 = 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6𝑅𝑅𝑒𝑒 + 𝜂𝜂𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6

𝑅𝑅𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 + 𝑅𝑅𝑇𝑀𝑀𝐹𝑙𝑛


𝑎𝐿𝑖𝑖+𝑟𝑒𝑓 2.28

𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6𝑅𝑅𝑒𝑒 : le potentiel d’équilibre de l’électrode positive.

𝜂𝜂𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6𝑅𝑅𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 : le surpotentiel dû au transport de masse des ions 𝐿𝑑𝑑+ dans l’électrode.

𝑅𝑅𝑇𝑀𝑀𝐹𝑙𝑛


𝑎𝐿𝑖𝑖+𝑟𝑒𝑓 : le surpotentiel dû à la limitation du transport des ions 𝐿𝑑𝑑+ dans l’électrolyte.

Les développements complets de la variation d’enthalpie pour aboutir à l’équation de Nerst

finale sont présentés dans le livre de PHL Notten [31].

Le schéma électrique équivalent d’une cellule Lithium ion est obtenu par mise en série des

schémas électriques équivalents aux deux électrodes. Le lien entre ces deux électrodes est

assuré par l’électrolyte que nous représenterons ici par une résistance 𝑅𝑅𝑅𝑅 .

La résistance 𝑅𝑅𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4et 𝑅𝑅𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6rendent compte des résistances de connectique respectivement

aux électrodes positives et négatives. Les capacités 𝐶𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4𝑅𝑅𝑙 et 𝐶𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6

𝑅𝑅𝑙 représentent les capacités

de double couche à l’interface électrode/électrolyte.

Figure 24 : Schéma électrique équivalent à une cellule Li-ion.

𝜂𝜂𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6𝑅𝑅𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6

𝑅𝑅𝑒𝑒 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6𝑡𝑡𝑡𝑡

𝑅𝑅𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6 𝑅𝑅𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4

𝜂𝜂𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4𝑅𝑅𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4

𝑅𝑅𝑒𝑒 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4𝑡𝑡𝑡𝑡

𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝐶𝐶6 𝐸𝐸𝐿𝐿𝑖𝑖𝑀𝑀𝑀𝑀2𝑂𝑂4

𝑅𝑅𝑅𝑅

39


4. FONCTIONNEMENT DE LA CHAINE ÉLECTROCHÉMIQUE

4.1.FONCTIONNEMENT EN DÉCHARGE

Dans un fonctionnement en décharge, la chaine électrochimique se comporte en générateur

électrique, et débite un courant dans un circuit extérieur. L’électrode positive a donc un

fonctionnement cathodique (siège de la réaction de réduction), et l’électrode négative a un

fonctionnement anodique (siège d’une réaction d’oxydation). [32]

Figure 25 : Chaîne électrochimique en décharge.

Les surpotentiels 𝜂𝜂1et 𝜂𝜂2 associées, sont respectivement négatif et positif. Le bilan est une

tension E inférieure à la tension d’équilibre 𝐸𝐸𝑡𝑡ℎ, est donné par :

𝐸𝐸 = 𝐸𝐸𝑡𝑡ℎ − 𝑅𝑅𝐼𝐼 + 𝜂𝜂𝑡𝑡 − 𝜂𝜂𝑎 2.29

𝑅𝑅𝐼𝐼 : la chute de ohmique de tension au sein de l’électrolyte. 𝜂𝜂𝑡𝑡 : le surpotentiel d’anode (en l’occurrence 𝜂𝜂2). 𝜂𝜂𝑎 : le surpotentiel de la cathode ( en l’occurrence 𝜂𝜂1).

Figure 26 : Caractéristique statique d’une chaîne électrochimique en décharge.

40


4.2.FONCTIONNEMENT EN CHARGE

Dans un comportement en charge, la chaîne électrochimique se comporte en récepteur

électrique, et consomme un courant provenant d’un générateur extérieur. L’électrode positive

a donc un fonctionnement anodique (elle est le siège d’une réaction d’oxydation), et

l’électrode négative a un fonctionnement cathodique (elle est le siège d’une réduction). [32]

Figure 27 : Chaîne électrochimique en charge. Les surpotentiels 𝜂𝜂1et 𝜂𝜂2 associées, sont respectivement positive et négative. Le bilan est une

tension E supérieure à la tension d’équilibre 𝐸𝐸𝑡𝑡ℎ, est donné par :

𝐸𝐸 = 𝐸𝐸𝑡𝑡ℎ − 𝑅𝑅𝐼𝐼 + 𝜂𝜂𝑎 − 𝜂𝜂𝑡𝑡 2.30

𝑅𝑅𝐼𝐼 : la chute de ohmique de tension au sein de l’électrolyte. 𝜂𝜂𝑎 : le surpotentiel de la cathode ( en l’occurrence 𝜂𝜂1). 𝜂𝜂𝑡𝑡 : le surpotentiel d’anode (en l’occurrence 𝜂𝜂2).

Figure 28 : Caractéristique statique d’une chaîne électrochimique en charge.

41


IV. SYSTÈME DE GESTION DE BATTERIE (BMS).

Le système de gestion de batterie ("Battery Management System : BMS") est un terme

qui englobe plusieurs fonctions [31] parmi lesquelles :

• L'acquisition et la communication de mesures au travers d'un bus de

communication.

• La protection des cellules.

• Le contrôle de la charge.

• L'équilibrage des cellules.

• La détermination de l'état de santé.

• La détermination de l'état de charge.

• La gestion optimale de l'énergie.

• La gestion thermique du pack.

Ces fonctions ont pour principaux objectifs, de protéger les batteries de tous les

dommages éventuels, de prolonger la durée de vie de ces éléments, et de veiller à

maintenir la batterie à un niveau de fonctionnement optimal.

Parmi ces fonctions, on peut distinguer des fonctions électroniques, qui sont plus au

contact direct avec les cellules, et les fonctions logicielles dont le rôle est principalement

la gestion de l'énergie au sens large.

Parmi les fonctions électroniques, on compte les systèmes d'instrumentation : capteurs

de tension, de courant et de température, ainsi que les systèmes de communication des

données vers le centre décisionnel du BMS.

1. SYSTÈME D’ÉQUILIBRAGE

On compte également parmi ces fonctions électroniques, des systèmes d'équilibrage des

cellules [33]. Ces systèmes d'équilibrage sont indispensables pour garantir que tous les

éléments d'un pack soient à un même état de charge. En effet, deux cellules

identiques soumises aux mêmes sollicitations en courant, verront leurs états de charge

diverger au bout de plusieurs cycles. Plusieurs causes peuvent en être l'origine : tout

d'abord une dispersion de fabrication qui af f ecte la capacité initiale. Une autre cause

peut provenir d'un déséquilibre thermique du pack ; bien qu'une ventilation forcée

permette d'évacuer les calories générées par les batteries, l'uniformisation des

42


températures n'est cependant pas garantie. Une dif férence de plusieurs degrés est

inévitable. Selon la conception du pack, une dispersion des températures de l'ordre

d'une dizaine de degrés doit être envisagée. Dans de telles conditions, les cellules

vieillissent dif féremment, conduisant inévitablement à un déséquilibre des capacités et

des états de charge. Un système d'équilibrage est donc indispensable pour éviter que des

cellules soient complètement déchargées alors que d'autres ne le sont pas, et prévenir

les risques de surdécharges ou de surcharges. Le principe de ces systèmes d'équilibrage

consiste à dévier le courant pour que celui-ci évite les cellules surchargées ou

surdéchargées, selon le sens du courant imposé au pack. La déviation peut être réalisée soit

dans une résistance, une capacité ou une inductance [34].

2. LE SYSTÈME DE PROTECTION DES CELLULES.

Le système de protection des cellules consiste en une surveillance des tensions de chacune

d'elles. Ce système intervient à un niveau hiérarchique supérieur de celui du système

d'équilibrage. Il agit donc en tant que superviseur, il contrôle les tensions de seuil (supérieur

et inférieur) de chaque élément. Dès lors qu'une cellule atteint l'un des seuils, le système

de protection peut ordonner l'arrêt de la charge ou la décharge en cours. [34]

3. LA GESTION THERMIQUE DU PACK

Le rôle du système de gestion de la température du pack de batteries est de garder

celui-ci dans une gamme idéale de températures de fonctionnement. La gestion thermique

du pack prévient ainsi toute surchauffe du pack qui s'avère être un facteur dommageable

et limitant la durée de vie des batteries. Elle consiste aussi à assurer une distribution

uniforme de la température du pack, afin d'optimiser les performances de celui- ci.

Plusieurs approches peuvent être envisagées pour gérer la température du pack.

• Le BMS peut activer un système autonome de réchauffement ou refroidissement des

batteries.

• Le BMS peut diminuer l'utilisation du pack en cas de surchauffe.

• Le BMS peut combiner ces deux possibilités à la fois.

La gestion thermique du pack est intimement liée à la gestion de l'énergie. Cette gestion

doit donc être conçue avec le cadre d'une approche système de la gestion d'énergie

embarquée. Il n'est alors pas étonnant de voir, sur la Prius de Toyota, que l'air

conditionnée provenant de l'habitacle sert au refroidissement du pack batterie. [34] 43


4. LA GESTION OPTIMALE DE L’ÉNERGIE.

La gestion optimale de l'énergie constitue sans doute la couche hiérarchique la plus

haute dans le BMS et certainement la plus confidentielle également. Elle est au cœur

de la performance énergétique du véhicule. A partir des mesures collectées (tension,

courant, température) et de la puissance demandée par la chaîne de traction, cette

couche de gestion d'énergie va autoriser ou non la fourniture de puissance au, ou par, le

pack batterie. Au- delà des considérations de protection des cellules, la gestion d'énergie a

pour rôle de maintenir la batterie dans un état de charge compris entre 50% et 80% de

sa capacité, dans le cadre d'un véhicule hybride, avec des variations d'état de charge de

l'ordre de 10%. Cette plage de fonctionnement pour la batterie correspond à la zone pour

laquelle la puissance en charge et en décharge est maximale. Une limite à 80% d’état de

charge permet de mettre une marge de sécurité vis à vis des surcharges éventuelles.

Dans le cadre de véhicules électriques, la plage d'utilisation de la batterie est plus

grande et doit pouvoir s'étendre d'une dizaine de pour cent à cent pour cent : le but

étant de pouvoir embarquer un maximum d'énergie. Descendre trop bas de cette limite

risquerait d'amener le véhicule à la panne sèche et de contribuer à un vieillissement

prématuré des cellules. Dépasser cette limite est également un risque à ne pas tenter,

puisqu'il pourrait conduire à la destruction des cellules. La gestion d'énergie est donc

adossée à une détermination précise del’état de charge et de santé des cellules. [34]

V. CONCLUSION

Nous avons volontairement ouvert cette section par la présentation des phénomènes

chimiques et électrochimiques engendrés dans une batterie. Notre tour d'horizon s'est ensuite

poursuivi pour se restreindre à la représentation électrique équivalente la plus courante dans

la littérature, mettant en avant son aptitude à modéliser fidèlement la réalité physique des

accumulateurs. Nous avons ensuite souligné que ce soit le mode de fonctionnement, le BMS

doit inclure une fonction capable de déterminer l'état de charge du pack batterie, de

manière précise, à tout moment et quelles que soient les conditions d'utilisation.

Des progrès doivent encore être réalisés pour garantir la sûreté de fonctionnement des

batteries. Deux axes sont privilégiés : le choix de matériaux peu enclin aux emballements

thermiques et une électronique de contrôle permettant de garantir une utilisation de la

cellule dans ses limites.

44

CHAPITRE III

ÉTUDE THERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION

CHAPITRE III : ÉTUDE THERMIQUE DE LA BATTERIE LITHIUM-ION

45

I. INTRODUCTION

Les batteries sont assez sensibles aux variations de températures. En effet, les phénomènes

électrochimiques se produisant à l'intérieur de la batterie ainsi que la diffusion des ions dans

l'électrolyte sont directement dépendants de la température. De trop faibles températures (en

particulier en dessous de 0°C) limitent la cinétique des réactions chimiques et limitent la

conversion des ions au niveau de l'interface entre l'électrode et l'électrolyte [36]. Ainsi, pour

de faibles températures, la puissance maximale pouvant être fournie par la batterie la

capacité maximale d'énergie électrochimique pouvant être stockée dans la batterie sont très

limitées [36]. Dans un même temps, le froid limite la circulation des ions dans l'électrolyte,

augmentant ainsi un peu plus la résistance électrochimique de la batterie. Le froid augmente

aussi la vitesse de décharge de la batterie hors fonctionnement. Ainsi, la plupart des batteries

ne sont pas adaptées à des régions particulièrement froides comme les pays nordiques.

L'augmentation de la température entraîne la plupart du temps une augmentation des

performances de la batterie [36-37]. Cependant, pour diverses raisons, et suivant les

différents types et familles de batteries, une trop forte température est néfaste [35].

Généralement, c'est le temps de vie de la batterie qui est fortement réduit pour

des fonctionnements à température importante (au-dessus de 50°C environ). Cela

provient de plusieurs phénomènes. Tout d'abord, pour des fortes températures, des réactions

parasites qui peuvent être considérées comme négligeables à température normale deviennent

beaucoup plus importantes à haute température, et gênent fortement les réactions

électrochimiques utiles. De plus ces réactions peuvent poser des problèmes de sécurité (par

exemple les inflammations ou les explosions de batteries au lithium). Un autre problème lié

aux fortes températures est celui de l'eau étant présente dans l'électrolyte de certaines

batteries. En effet ces batteries à électrolyte aqueux sont fortement et rapidement détériorées

à forte température du fait de l'augmentation de l'évaporation de l'eau constituant l'électrolyte,

ce qui limite la diffusion des ions d'une électrode à l'autre. Dans un même temps il y a

électrolyse de l'eau, ce qui augmente la corrosion des électrodes [36].

Les différents systèmes de stockage électrochimiques ont des comportements thermiques très

différents. Ces différences sont présentées dans les travaux de Perrin et al. [36]. Nous ne

nous intéresserons ici qu’aux cas des batteries LI-ION.


46

II. INTRODUCTION AU TRANSFERT THERMIQUE

1. NOTION DE TEMPÉRATURE

1.1. DÉFINITION

C’est une variable d’état qui, du point de vue de la structure de la matière, caractérise le degré

d’agitation de ses particules. Elle résulte donc de la détermination d’une moyenne et, de ce

fait, il est impossible en toute rigueur de définir la température en un point géométrique.

Les moyens d’observation explorent un domaine fini (de l’ordre du mm3 ou même moins). Ce

domaine très restreint contient encore un nombre de particules suffisant pour que les

considérations statistiques aient un sens. C’est donc toujours la température d’une boule au

voisinage d'un point que l’on mesure, et que l’on désigne par "température en ce point".

On dit qu’à l'instant t la température d’un corps est uniforme si, en cet instant, tous les

appareils de mesure indiquent la même valeur T quelle que soit leur position. Nous dirons

en outre qu’elle est constante si T est indépendante de l’instant d'observation. Si ces deux

conditions ne sont pas réalisées, nous dirons que la température est une fonction T(x,y,z,t) des

coordonnées du repère d’espace-temps. A l’intérieur d’un corps homogène, on peut donc

définir à chaque instant t des surfaces isothermes caractérisées par T(x,y,z,t)= cste.

L’unité de température est définie officiellement comme suit (J.O. 23/12/75) : "Le Kelvin (K)

est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l'eau". On

utilise fréquemment la température Celsius définie par la différence T- entre deux

températures thermodynamiques T et avec = 273,15 K. Une différence de température

peut s'exprimer soit en Kelvins, soit en degrés Celsius.[38]

1.2. GRADIENT THERMIQUE

La dérivabilité de la fonction T permet de définir en chaque point M et à chaque instant t un

vecteur gradient de température , normal en M à la surface isotherme, et dont les

composantes sont en coordonnées cartésiennes :(

).

On définit également le gradient de la température dans une direction ∆, comme le produit

scalaire :[39]

3.1


47

Figure29 : Représentation du gradient de température.

2. NOTION DE CHALEUR

2.1. DÉFINITION

C’est une forme d’énergie au même titre que le travail d'un système de forces au cours d’un

déplacement. On ne peut donc pas parler de la "chaleur d'un corps", ni même de la "chaleur

contenue dans un corps", car la prise en compte d'une quantité de chaleur Q implique une

situation évolutive. Il s’agit forcément d’un échange d’énergie entre plusieurs corps (ou

entre plusieurs domaines d’un même corps) au cours d’un laps de temps déterminé. L’unité

est le Joule [J]. Sa valeur est petite, ce qui fait qu’on a communément recours au kilo

Joule [kJ].

Si, entre deux instants t et t', l'interaction étudiée s’accompagne d'un échange de chaleur

δQ, on appelle flux thermique moyen la quantité δQ/(t-t').

Le flux thermique est une puissance instantanée en Watts [W], ramené à l'unité de surface,

on parle de densité de flux thermique [W/m2]. [ 3 9 ]

2.2. ÉCHANGE DE CHALEUR A TRAVERS UNE SURFACE

Considérons deux domaines D et séparés par une surface S et supposons algébriquement

que D cède à un flux thermique Ø pas forcément constant dans le temps. La nature des

corps D et , peut être absolument quelconque, par exemple, D peut être un solide et un

fluide.

On définit la densité de flux thermique à travers la surface S comme

.


48

Figure 30 : Surface S séparant deux domaines D et

Au niveau corpusculaire, dire que D et , échangent un flux Ø signifie ceci : les corpuscules

de D proches de S traversent et communiquent à ceux de des impulsion qui modifient leur

vitesse d’agitation et vice- versa, le bilan net de de ces échanges et ressenti au plan

macroscopique comme une puissance thermique. La thermodynamique statistique permet

effectivement le calcul dans certain nombre de cas.[39]

2.3. INTÉRACTION ENTRE DEUX CORPS

Si l'on met en présence deux corps à des températures uniformes T1 et T2 sans frottement

entre eux, on constate que leur température s’établit au bout d'un temps plus ou moins long à

une valeur commune T, intermédiaire entre T1 et T2.

Ceci signifie que le corps le plus chaud s'est refroidi ; il a donc cédé de la chaleur. Le corps

le plus froid s'est réchauffé ; il en a reçu ; la chaleur passe du corps chaud au corps froid en

l'absence d’intervention extérieure. Ceci est une conséquence du deuxième principe de la

Thermodynamique. En effet, si l’on imagine un système isolé constitué des deux corps,

l’entropie de ce système (somme des entropies des deux corps) ne peut qu’augmenter :

3.2

Or, selon le premier principe de la thermodynamique, le système étant isolé :

3.3

On en déduit donc que :

3.4


49

Si le corps 2 a une température supérieure au corps 1 (T2 > T1), alors est positif ce qui

veut dire que le corps 1 reçoit de la chaleur. En l'absence d’intervention extérieure, la

chaleur passe toujours du corps chaud au corps froid.[40]

2.4. MODES DE TRANSFERT DE CHALEUR

On distingue trois mécanismes d'échange de chaleur entre milieux matériels :

2.4.1. CONDUCTION

C'est une transmission de chaleur dans la masse d’un milieu matériel, les zones chaudes

cédant de la chaleur à celles qui le sont moins. C'est le cas lorsqu'on chauffe l'extrémité

d'une barre.

Au plan corpusculaire, l’interprétation est la suivante : une zone chaude est occupée par des

particules à vitesse élevée, par définition même de la température. Le mouvement brownien

fait constamment passer des particules d'une zone à l'autre ; mais entre zones à températures

inégales, les particules ont des énergies cinétiques différentes ; le brassage a pour effet de

transférer de l'énergie cinétique d'agitation, des zones chaudes vers celles qui le sont moins.

La manifestation macroscopique en est un transfert de chaleur. C'est donc un mécanisme de

chocs qui intervient.[40]

2.4.2. RAYONNEMENT

C'est une transmission d'énergie à distance, entre deux corps séparés ou non par un milieu

matériel (transformation d'énergie thermique d'un émetteur en énergie électromagnétique,

propagation, transformation partielle en énergie thermique sur un corps récepteur). C'est le

cas de l'énergie qui nous vient du soleil. L'interprétation physique est la suivante : tout

corps émet des particules désignées par "photons"; ceux-ci se déplacent à la vitesse de la

lumière et transportent une énergie fonction de leur "longueur d'onde".

Un corps C émettant des photons dans toutes les directions possibles, certains d'entre eux sont

reçus par l'autre corps C' et éventuellement absorbés, en tout ou partie. Bien entendu, le

corps C' émet aussi des photons dont certains seront reçus et absorbés par C. Le bilan net se

traduit par un échange d'énergie entre C et C'.[40]


50

2.4.3. CONVECTION

C'est le phénomène observé entre un fluide en mouvement et une paroi, phénomène

principal dans la plupart des échangeurs de chaleur.

La cause profonde est encore une agitation des particules fluides, mais à une échelle

beaucoup moins microscopique. Les parcelles de matière au contact de la paroi (chaude par

exemple) s'échauffent par conduction ; le mouvement du fluide reporte ces parcelles dans la

masse où elles cèdent par mélange une partie de la chaleur reçue ; d'autres les remplacent à

la paroi et ainsi de suite.

Quant au mouvement du fluide, il peut avoir deux causes. Ou bien il est imposé de

l'extérieur par une machine (pompe, ventilateur, compresseur) ; c’est la convection

forcée. Ou bien le contact du fluide avec la paroi plus chaude ou plus froide crée des

différences de masse volumique, génératrices de mouvement au sein du fluide ; c'est la

convection naturelle.

Rigoureusement, même en convection forcée, les différences de densité créent un écoulement

parasite, en général insignifiant par rapport à l’écoulement principal. On parle de

convection mixte quand les 2 phénomènes ont de l'importance.[40]

III. COMPORTEMENT THERMIQUE DE LA BATTERIES LI-ION

Leur fonctionnement est possible entre -25°C et 45°C (suivant le type de batterie). Plusieurs

facteurs limitent les performances de ces batteries. D'une part, leur taux de charge devient

très limité à faible température (-5°C ou moins). Leurs performances en général sont

énormément réduites (sauf cas particuliers) en dessous de -10°C à cause d'une forte

augmentation de la résistance interne. Enfin, à forte température, le comportement thermique

du système et la décharge irréversible (hors fonctionnement) diminue beaucoup le temps de

vie de la batterie (limite 70°C). La durée de vie est divisée par 3 si on passe la

température moyenne de fonctionnement de 20°C à 40°C. [41]

1. ANALYSE DU MECANISME EXOTHERMIQUE DE LA BATTERIE

Une batterie dégage ou absorbe de l'énergie thermique au cours des réactions de charge ou

de décharge. Étant donné qu’une batterie rechargeable (au fonctionnement réversible) établit

une relation thermodynamique à température et pression constantes, le rejet de chaleur des

réactions peut s'exprimer en fonction d'une variation d'énergie libre de Gibbs équivalent

à un travail électrique [41] :


51

3.5

Si le fonctionnement de la batterie est parfaitement réversible, on observe alors que la

quantité de chaleur dégagée ou absorbée au cours des phases de décharges et charges est

égale. Le terme T.ΔS correspond à l'énergie thermique de la réaction et est exprimé comme la

source de chaleur:

3.6

La variation d'enthalpie libre peut être exprimée en fonction de la force électromotrice

de la batterie Ee:

3.7

3.8

F : nombre de Faraday,

n : nombre de charges intervenant dans la réaction chimique.

La tension finale de la batterie Ee dévie de la force électromotrice d'équilibre à cause de la

polarisation de la batterie qui est accompagnée d'une génération de chaleur supplémentaire

Qp. Cette génération de chaleur a eu lieu pendant la charge et la décharge.

Le fonctionnement de la batterie entraîne aussi des réactions secondaires, une décharge hors

utilisation (self-discharge) et une décomposition de l'électrolyte qui se manifeste au travers

d'une génération de chaleur Qs.

On observe aussi des pertes Joule QJ qui résultent de la résistance électrique des

composants. La génération de chaleur totale Qt est alors exprimée de la manière suivante :

3.9

2. ANALYSE DU COMPORTEMENT THERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION

La réaction secondaire de décomposition de l’électrolyte suite à une forte charge (près de

100%) est une réaction irréversible qui donne naissance à un gaz inflammables. Il est donc

nécessaire de ne jamais atteindre ce stade. Ainsi pour les batteries Li-ion, ces conditions de

charge extrêmes ne sont jamais réalisées, et le terme de génération de chaleur lié aux

réactions secondaires est considéré comme nul ( Qs ≈ 0 ), cette quantité de chaleur générée

étant alors trop faible pour être prise en compte. Ce terme est aussi considéré comme nul

lorsque l'on effectue une décharge.[42]


52

Durant la décharge, la génération de chaleur résultant de la réaction Qr est positive car la

réaction est exothermique. La génération de chaleur totale est donc plus importante lors de la

décharge que lors de la charge. L’ajout des pertes par effet Joule , provenant des

résistances internes de la batterie, ainsi que les pertes résultant de la polarisation ,

augmente encore la génération de chaleur totale lors de la décharge.

Le calcul de la génération de chaleur totale se fait alors de la façon suivante :

3.10

Il faut noter que les phénomènes thermiques dominants sont différents suivant la phase dans

laquelle on est (charge ou décharge).

La variation de chaleur durant la charge d'une batterie Li-ion correspond à la chaleur

absorbée lorsque les ions lithium provenant de l'électrode positive sont adsorbés par

l'électrode négative. Une quantité de chaleur équivalente est générée lors de la décharge. En

nommant la quantité de chaleur générée par les deux réactions principales

(équations de réactions présentées en début d’exemple) et le courant de charge Ic, on

peut calculer la variation de chaleur provenant des réactions de la manière suivante :

3.11

=1 dans le cas de la décharge (réaction exothermique donc production de chaleur positive).

=-1 pour la charge (réaction endothermique).

Ainsi, la valeur de la chaleur libérée ou absorbée lors du fonctionnement de la batterie peut

être considérée comme une fonction du premier ordre du courant de charge ou de décharge.

La polarisation résulte en un écart entre la force électromotrice réelle et la force

électromotrice théorique dans la batterie, émanant d’une énergie requise pour le

mouvement et la diffusion des atomes dans les processus réactifs de la batterie.

Les ions lithium ont un coefficient de diffusion chimique faible (5 x 10-9 cm2/s). Ainsi, les

phénomènes de mouvement et de diffusion sont les principaux facteurs limitant les

performances à l'intérieur des électrodes.

La dégradation de la surface de l'électrode augmente aussi le phénomène de polarisation

[42]. Des recherches structurelles sont faites pour obtenir une structure d'électrode réduisant

au maximum la polarisation.


53

La résistance de polarisation qui accompagne la polarisation lors des décharges peut se

calculer par :

3.12

Rtd : La résistance totale de la batterie pendant la décharge et

Re : La résistance électrique du composant.

La variation de chaleur provenant de la polarisation lors de la décharge s'exprime comme

une fonction du second ordre du courant de décharge :

3.13

Des équations identiques sont valables dans le cas de la charge [138] :

3.14

3.15

Étant donné que la génération de chaleur totale se manifeste comme une génération totale par

effet Joule, la valeur de Qp totale n'est pas calculée directement, mais plutôt en séparant les

différentes résistances de polarisation des composants en effectuant les calculs pour chacun

de ces composants.

La génération de chaleur liée à la résistance interne de la batterie se manifeste sous forme de

pertes par effet Joule. Mais cette résistance interne comprend à la fois les résistances

électriques et les résistances de polarisation induites par les réactions, phénomènes qui

génèrent tous les deux de la chaleur. La génération de chaleur par effet Joule résultant des

résistances électriques uniquement s'exprime en fonction du courant de charge ou de décharge

[43] :

3.16

3.17

Les résistances électriques sont indépendantes du mode de fonctionnement de la

batterie (courant de décharge, tension délivrée) mais évoluent avec la température.

Afin de réduire ces pertes il est nécessaire de trouver des matériaux et des structures de

composants qui minimisent les résistances électriques des composants de la batterie Re. [44]


54

3. PERFORMANCE CARACTERISTIQUE DELA BATTERIE LI-ION

L’expression des différentes pertes ayant été réalisée, il est maintenant nécessaire de

déterminer les caractéristiques de la batterie, notamment sa résistance interne. Sato et al. [42]

donnent les données de batteries Lithium ion, notamment l’évolution de la conductivité de

l’électrolyte en fonction de la température.

Figure 31 : Evolution caractéristique de la conductivité d’une batterie lithium-ion en fonction de la

température moyenne des cellules.

On voit clairement sur la figure que la conductivité augmente de concert avec la température

(elle est minimale à très faible température), ce qui explique en partie les faibles performances

de cette batterie en basse température.

La propriété linéaire reliant conductivité et température est confirmée par les travaux de

Nagasubramanian et al. [44].

On en déduit que la résistivité de l’électrolyte évolue comme l’inverse de la température.

3.18

3.19

: Conductivité (S/m).

: Résistivité du matériau (Ω.m).


55

Les données présentées dans la figure plus-haut permettent de calculer la résistivité de la

batterie Li-ion en fonction de la température.

Figure 32 : Calcul de la résistivité de batteries lithium ion d’après les données de conductivité de la figure.

La résistance interne de la batterie dépend aussi de l’état de charge (et donc de décharge) de

la batterie. L’évolution de cette résistance en fonction du pourcentage de décharge (Depth of

Discharge : DOD) des batteries lithium-ion étudiées par Sato et al. [42] est présentée en

figure suivante :

Figure 33 : Evolution caractéristique de la résistance interne d’une batterie lithium-ion en fonction de son état

de charge.


56

Réaction endothermique

Réaction exothermique

On observe notamment que cette résistance interne peut devenir très élevée (quasiment

multipliée par 2) pour les très fortes charges proches de 100%.

Ce résultat provient directement de la cinétique des réactions chimiques qui évolue avec

l’état de charge de la batterie.

Zhang et al. [43] étudient la résistance interne de batteries lithium-ion et montrent que c’est le

transfert de charge d’une électrode à l’autre qui est fortement influencé par l’état de charge

des cellules ainsi que par la température. Il semblerait que ce transfert de charge est limité à

faible charge (grand DOD) du fait du peu de charge restant dans l’électrolyte.

Ces résultats sont présentés comme suit :

Figure 34: Evolution de la résistance de batterie Li-ion en fonction du DOD et de la température.

4. ÉQUILIBRE THERMIQUE DURANT LA CHARGE ET LA DÉCHARGE

En se basant sur les équations précédentes, l'équilibre thermique obtenu lors des phases

de charge (Qc) et décharge (Qd) est donné par :

3.20

3.21

Pertes Joules

Pertes Joules


57

Ces travaux permettent d'obtenir l'ensemble des pertes thermiques lors du fonctionnement

d'une cellule électrochimique.

Figure 35 : Production de chaleur dans une batterie lithium-ion 3Ah utilisé dans un véhicule hybride en

fonction de son utilisation.

Figure 36 : Evolution de la production de chaleur en fonction du courant dans une batterie Li-ion.

On constate alors que la puissance thermique disponible pour réchauffer la batterie diffère

entre la charge et la décharge, bien que la puissance des pertes soit la même pour des

courants de charge et décharge identiques. Il est même possible dans le cas d’une charge

avec un faible ampérage relatif (<40A) d’avoir une puissance thermique négative (et

donc de refroidir légèrement la batterie).


58

D'autres recherches ont été effectuées sur le sujet du comportement thermique des batteries.

Les travaux de Chen et al. [43] présentent un modèle de transfert thermique dans la cellule

électrochimique en tenant compte de sa structure. Smith et al. [44] présentent, en plus du

calcul des pertes thermiques, quelques éléments sur l'évolution des différents paramètres

représentatifs des performances de la cellule de batterie (comme la tension) en prenant

en compte la température interne de la cellule.

5. ÉVOLUTION DE TEMPERATURE D’UNE BATTERIE

Lin et al. [47] présentent un modèle de transferts thermiques d’une batterie lithium-polymère

utilisée dans un véhicule militaire. Ici encore, ce modèle de transfert est basé sur la

construction d’un schéma électrique équivalent (modèle nodal ou "lumped capacitance").

Ce modèle de transfert thermique est présenté comme se suit :

Figure 37 : Schéma du modèle de transfert thermique développé par Lin et al.

Chaque cellule de la batterie est décomposée en 2 nœuds caractérisant pour l’un le cœur

électrochimique (électrolyte, électrode, …) et la surface (couche isolante). Les cellules sont

en contact physique les unes avec les autres d’où un transfert par conduction d’une cellule à

l’autre. Enfin, le pack de cellule constituant la batterie est refroidi grâce à un écoulement

d’air. L’air, entrant à débit constant et température ambiante (25°C), se réchauffe au contact

des cellules électrochimiques. Les dernières cellules sont donc moins refroidies que les

premières car la différence de température entre leur surface et l’air les entourant est plus

faible.


59

Ce modèle de transferts thermiques est utilisé pour la simulation d’un véhicule militaire de

13 tonnes sur un cycle UAC (Urban Assault Cycle). Les caractéristiques de ce cycle urbain

s’éloignent un peu des conditions de route typiques d’un véhicule de particulier du fait des

énormes puissances nécessaires au mouvement d’un véhicule aussi lourd, cependant les

résultats de simulation obtenus sont une bonne indication du comportement thermique d’une

batterie électrochimique en fonctionnement.

Figure 38 : Cycle UAC.

La simulation est réalisée avec un modèle de batterie à 5 cellules refroidie par un flux d’air

entrant à 25°C. Les tensions et intensités fournies par chaque cellule sont calculées en

fonction des tensions et intensités finales de la batterie nécessaires pour propulser le véhicule

sur le cycle UAC, en les rapportant au nombre total de cellules constituant la batterie (en

fonction de leur agencement en parallèle et en série). Les résultats de simulation de cette

petite partie de la batterie à 5 nœuds sont présentés en figure suivante.

Figure 39 : Simulation de la montée en température d’une batterie (modèle thermique à 5 nœuds) sur

plusieurs cycles UAC consécutifs.

Ces résultats montrent l’inhomogénéité relative des températures des différentes cellules le

long de la batterie, avec des écarts de température d’une cellule à l’autre pouvant atteindre

5°C en surface. La performance de chaque cellule est donc impactée différemment en


60

fonction de sa position. On observe sur cette figure que les températures atteintes par la

batterie restent modérées, avec une température maximale atteinte par le cœur de la cellule

la plus chaude est inférieure de 55°C (pour une température surfacique maximale de 35°C).

Les besoins en refroidissement de la batterie semblent donc modérés pour ce type de

fonctionnement, et un système de refroidissement plus complexe (refroidissement liquide

avec radiateur) est sûrement inutile d’après ces résultats.

Enfin, le temps de montée en température de la batterie jusqu’à un état quasi-stabilisé semble

relativement long (supérieur à 20 minutes).

La simulation du refroidissement de la batterie une fois que le véhicule s’arrête est aussi

réalisée. Les résultats de simulation réalisés par Lin et al. [45] sont présentés dans la figure

plus-bas.

Le refroidissement de la batterie par flux d’air est maintenu. On observe alors un

refroidissement relativement rapide (de l’ordre de 40 minutes pour retrouver la température

ambiante).

Figure 40 : Simulation de la chute de la température d’une batterie (modèle thermique à 5 nœuds) une fois

que le véhicule est arrêté.

Bien qu’un peu éloignés du fonctionnement d’un véhicule hybride, ces résultats réalisés pour

un véhicule militaire électrique donnent suffisamment d’information sur le comportement

thermique d’une batterie en fonction.


61

6. COMSOL- LOGICIEL DE LA MODÉLISATION THERMIQUE

Comsol Multiphysics est un logiciel d'analyse par éléments finis, permettant d'effectuer

différentes analyses : structure, thermique, écoulement fluide, acoustique, et plus ....

L'interface graphique de Comsol Multiphysics permet à l'utilisateur de définir avec aisance le

problème 1D, 2D ou 3D à résoudre. Une des particularités de ce logiciel est l'utilisation

directe des équations aux dérivées partielles décrivant le phénomène physique pour la

définition du modèle à résoudre. Le couplage entre les divers phénomènes est possible,

facilitant ainsi, le processus de modélisation à tous les niveaux - définition de la géométrie,

maillage, spécification de la physique, optimisation, et visualisation des résultats.[46]

Figure 41 : Comparaison entre les différents programmes de simulation.

IV. CONCLUSION

Les transferts thermiques ont des applications dans tout le champ de l’énergie mise en jeu,

sous quelque forme que ce soit : thermique, mécanique, électromagnétique ou radiative,

nucléaire, électronique ou chimique ... L’objet de la discipline est l’étude et la maîtrise des

transferts de toutes ces formes d’énergie qui se dégradent en grande partie en énergie

thermique. Il est fréquent que les transferts thermiques ne soient pas l'objectif de la

conception d'un appareillage mais qu'ils interviennent comme contrainte à respecter : éviter

des points chauds ou froids, limiter des dilatations, contrôler des transformations...

http://www.comsol.com/

CHAPITRE IV

MODÉLISATION THERMIQUE EN 3D D’UNE BATTERIE LI-ION

CHAPITRE IV : MODÉLISATION THERMIQUE DE LA BATTERIE LI-ION

62

I. INTRODUCTION

La gestion thermique est cruciale pour la sécurité et l'assurance d'une longue vie de la batterie.

La température très élevée réduit automatiquement la durée de vie de la batterie par la

croissance du taux de dégradation de ses accumulateurs, à cet effet, un refroidissement actif

serait indispensable pour des applications à puissances élevées. Cependant, une très haute

température dans une batterie qui conduit à une surchauffe ou à la fluctuation du courant

généré doit impérativement être évitée.

Ce chapitre traitera d’une façon globale l’aspect thermique de la batterie. Notre approche sera

axée au début à l’étude de l’influence de chaque paramètre essentiel de la batterie sur l’aspect

thermique, ensuite, nous étudierons en seconde partie, le comportement thermique spiral

interne de la batterie optimisée.

A cet effet, la société Tesla Motor propose un véhicule électrique de sport alimenté par un

pack de 6831 d’éléments lithium-ion de diamètre 18 mm, hauteur 65 mm, et qui affiche une

autonomie de 320 km à 400 km en mode de conduite par un processus de charge/décharge

instantané et non cyclique. L’idée d'assembler un grand nombre d'éléments a réduit l'énergie

de chaque élément, et par là même les risques d'incendie de la batterie. [47]

Afin d’étudier thermiquement ces batteries, M. Doyle, J.Newman, A.S. Gozdz, C.N.

Schmutz, et J.M. Tarascon ont proposés une comparaison entre la géométrie spirale et

cylindrique des composants constituant une batterie cylindrique. [48]

II. ÉTUDE DE CAS

La batterie est conçue par un enroulement spiral de ses composants internes en trois tours

complets, plongé dans un liquide d’électrolyte, le tout enveloppé dans un cylindre.

Le collecteur de courant négatif à l'extrémité extérieure de la spirale est à la masse, et une

condition de densité de courant est appliquée à l'extrémité du collecteur de courant positif à

l'extrémité intérieure de la spirale.

L’assemblage d’un grand nombre de batteries miniatures li-ion pour un véhicule

électrique où en résulte une réduction de l'énergie de chaque cellule, et par là même les

risques d'incendie de la batterie, nous a inspiré notre propre modèle. Pour mettre en évidence

et valoriser les résultats de notre modèle, nous avons comparé nos résultats à ceux obtenus

lors d’une simulation du modèle du fabriquant. [49]


63

Figure 42 : Représentation schématique de la batterie.

Modèle 1

Longueur 65mm

Rayon spiral intérieur 1.76 mm

Collecteur de courant positif (Cu) 10µm

Collecteur de courant négatif (Al) 7µm

Électrode positive ( ) 55µm

Électrode négative 55µm

Séparateur 30µm

Figure 43 : Paramètres du modèle 1.

Électrode positive

Collecteur de courant positif

Électrode positive

Séparateur

Électrode négative

Collecteur de courant négatif

Électrode négative

Séparateur


64

Un accumulateur lithium ion maltraité subit des dommages irréversibles et peut aller jusqu’à

exploser si la tension de charge dépasse 4.25V. Les résultats obtenus lors de cette simulation

[49] proposent une tension de charge de 4.27V et un écart de température maximale de 15K.

Or, on cherchait à optimiser ce modèle par une tension de charge inférieur à 4.25V et un écart

de température assez réduit pour éviter toute surchauffe. Cependant, notre approche s’est

épinglée sur l’étude de l’influence de chaque paramètre sur l’aspect thermique de la batterie

afin de voir lequel est le plus efficient. De là, nous battîmes notre batterie de tel sort qu’elle

dissipe mieux la chaleur générée par le processus électrochimique.

1. Étude de l’influence de la longueur de la batterie sur son comportement

thermique :

Afin d’étudier l’effet de la variation de la longueur de la batterie sur son rendement et plus

précisément sur son comportement thermique, nous avons modélisé une batterie lithium

semblable à celle utilisée par Tesla Motors. Connaissant les dimensions de cette dernière, on

s’est attelés à rétrécir la longueur de la batterie afin d’alléger le poids globale de l’unité de

stockage électrique, à savoir : 429 .

Figure 44 : Représentation graphique représentant :

a / La variation de la température en fonction de temps de cycle.

b/ Le potentiel électrique de la batterie généré durant son utilisation.

c/ Le cycle (Charge-Décharge) de la batterie.


65

On distingue clairement 2 cycles complets de fonctionnement de la batterie lithium

(Charge-Décharge). Concernant le premier cycle, nous observons une évolution régulière de

la température, ceci s’explique par une activité électronique intense durant les deux processus

de charge et de décharge. Ensuite, durant la moitié du 2éme cycle, nous observons une

évolution de la température moins prononcée, ceci est dû à la variation d’entropie du système

durant le second cycle où les molécules du système sont plus ordonnées que le premier cycle.

L’écart de température maximale à 1200s est atteint par la batterie de lithium dont la

longueur est de : . Alors que celui de la batterie dont la longueur est de

est moins important .

Ceci montre que le rétrécissement de la longueur de la batterie à permis de baisser la

température maximale de fonctionnement (durant plusieurs cycles).

A partir de 1200s de fonctionnement, la batterie n’est rechargée qu’à moitié, suivi d’un temps

de relaxation afin d’allonger sa durée de vie et d’optimiser son rendement. Cette démarche

explique la baisse de température avec un pic à 1500s correspondant au retour à l’état de

repos. Concernant les caractéristiques électriques de notre modèle, on cite :

La capacité de stockage :

La capacité spécifique, ou volumique, désignent la capacité (théorique, pratique,

nominale…) respectivement par unité de masse ou de volume (de matériau, de cellule, de

pack batterie…). C’est une mesure permettant de prendre en compte la densité. Elle est très

utilisée pour, par exemple, comparer des capacités utiles par kilogramme de pack véhicule,

ou encore comparer des capacités théoriques par gramme de matériau actif. Elle représente la

quantité de charge qu'il est possible d'obtenir lors d'une décharge complète de la batterie,

initialement chargée, généralement avec un courant constant.

4.1

i : l’intensité du courant en Ampère (A),

, : l’état initial et l’état final correspondants à des critères (de tension en général),

Q : la quantité d’électricité échangée (en Ah ou C ; 1 C = 1 As).

Un certain nombre de paramètres influencent cette grandeur, comme les choix des paramètres

expérimentaux, par exemple la température. En effet, comme on peut l’observer dans la figure

2, plus la température augmente, plus la capacité augmente, ce qui implique un courant généré

plus important. Ce rendement est conditionné par les limites qui nous sont imposées, à savoir :


66

- Une augmentation de la température contrôlée et limité dans le temps : Ce problème fut

résolut par un choix judicieux du temps des différents cycles de fonctionnement de la batterie.

- Un rendement électrique constant et régulier : Ceci est possible par une optimisation des

dimensions de la batterie afin de stabiliser la variation de la température (pas plus d’1k) en

réduisant la longueur de notre modèle de .

L’énergie:

L‘énergie de la batterie représente la quantité d’énergie qu'il est possible d'obtenir lors d'une

décharge complète de la batterie, initialement chargée, généralement avec un courant

constant. Tout comme la capacité, cette grandeur est influencée par plusieurs paramètres. Elle

est, en général, mesurée au cours du même protocole que la capacité. Elle correspond à :

4.2

E : la quantité d’énergie échangée en Wh (1Wh=1VAh).

u : la tension de la batterie en volt(V).

t : le temps de mesure (s).

: l’état initial et final correspondant à des critères (de tension en général).

On parle très souvent, dans le cas d’un pack batterie véhicule, d’énergie embarquée ou

d’énergie utile. La première désigne l’énergie présente chimiquement, tandis que la seconde

désigne l’énergie exploitable par le véhicule (dans le cadre des limitations de sa machinerie

ou des limites fixées). Comme pour la capacité, on parle d’énergie spécifique ou volumique,

par unité de masse ou de volume.

2. Etude de l’influence de rayon intérieur de la batterie sur son comportement

thermique :

De manière générale, en électricité, la résistance est la propriété d’un corps à s'opposer au

passage d'un courant électrique. En fonctionnement, lorsque la batterie est traversée par un

courant, il apparaît une polarisation entre la tension de l'élément et la tension au repos, qui

caractérise la résistance de la batterie à délivrer le courant demandé. Cette résistance dépend

de nombreux paramètres comme la température, les dimensions de la batterie (longueur,

rayon), l’état de charge, la qualité des branchements aux bornes de l’élément mais également

du vieillissement électrochimique.


67

Figure 45 : Profil thermique de la batterie lithium pour différents rayons :

a/ r = 1.76 mm, b/ r = 2 mm.

En tant qu’élément électrochimique actif, une batterie est un ensemble de réactions

dynamiques, contrairement à une résistance ohmique simple. En fonction du temps de mesure,

le phénomène caractérisé ne sera alors pas le même. Mais, dans tous les cas, une mesure de

résistance sur une batterie indiquera la difficulté pour celle-ci à délivrer/ subir un courant.

D’où l’importance de bien dimensionner le rayon interne de la batterie. Plus il est important,

plus les principaux composants (anode, cathode, électrolyte) seront distant, donc la batterie

sera moins réactive et surtout plus énergivore. En effet, comme on peut le constater sur la

figure 3, Il y a une augmentation de la température pour . Ceci se traduit par

une augmentation des réactions électrochimiques entre les différents composants de la

batterie.

Fig. a/ Fig. b/


68

3. Etude de l’influence de l’ensemble des composants intérieurs de la batterie sur

son comportement thermique : (longueur+rayon +Collecteurs+ Anode+ Cathode)

Selon les résultats obtenus lors de l’étude précédente nous proposâmes une batterie (modèle2)

régie d’une réduction de la longueur cylindrique de 5mm, ce qui permet un rétrécissement

volumique globale de 429 Il s’ajoute à cela, un surdimensionnement des électrodes de

5µm et des collecteurs de courant positif et négatif, respectivement de 7µm et 10µm, générant

ainsi un courant de forte tension. Il va de soi, une augmentation du rayon interne de la spirale

pour une meilleure dissipation de la chaleur dégagée.

Modèle 1 Modèle 2

Longueur 65mm 60mm

Rayon spiral intérieur 1.76 mm 2 mm

Collecteur de courant positif (Cu) 10µm 20µm

Collecteur de courant négatif (Al) 7µm 14µm

Électrode positive ( ) 55µm 60µm

Électrode négative 55µm 60µm

Figure 46 : Tableau comparatif entre les deux modèles 1 et 2.

Model 1: t=0s ⇾V=3.68V t=300s ⇾ V=4.27V t=600s ⇾ V=3.25V

Modèle 2 : t=0s ⇾V=3.66V t=300s ⇾ V=4.24V t=600s ⇾ V=3.29V

À t=1200s, on remarque que l’écart de température maximum du modèle 1 est de 15K avec

un potentiel de charge de 4.27 V, alors que le notre est uniquement de 12K avec un potentiel

de charge de 4.24V. L’écart de température représente la variation de température pendant la

simulation par rapport à la température initiale qui est de T=298.2k (25⁰C). L’état thermqiue

final de la batterie est représenté par les figures 3D, où on constate clairement que notre

modèle arrive à mieux dissiper la cahleur suivant un sens radial et longitudinal.


69

Figure 6 : Profil thermique de la batterie lithium à 1200s des deux modèles.

Figure 47 : Représentation graphique des modèles représentant :

a / la variation de la température en fonction de temps de cycle.

b/ Le potentiel électrique de la batterie généré durant son utilisation.

c/ Le cycle (Charge-Décharge) de la batterie.

Modèle 1

Modèle 2

∆T = 3 (K) ∆T = 1 (K)

Modèle 1 Modèle 2


70

4. Etude de l’influence du temps de cycle de charge/décharge sur le comportement

thermique de la batterie Lithium:

Ceci nous amène à nous intéresser au cycle de fonctionnement de la batterie. Ce paramètre est

essentiel pour assurer une durée de vie optimale de la batterie et un fonctionnement sûr. En

effet, selon la figure ci-dessus, plus le cycle est long, plus les structures internes de la batterie

sont sollicitées : nombres plus important de réactions électrochimiques. Dons une

augmentation notable de la température (cycle de 800s). On observe aussi, une fluctuation du

potentiel due aux chutes ohmique au niveau des électrodes durant les différents cycles. Ceci

implique, à plus grande échelle, une plus grande variation du courant électrique. Alors que

pour un cycle de 400 seconde, le potentiel de la batterie est régulier mais une température

assez haute dès le départ qui prévoit une surchauffe à court terme.

5. Etude de l’influence de l’électrolyte sur le profil thermique de la batterie durant

un cycle de décharge (300s)

La conversion d’énergie chimique en énergie électrique implique le transport d’un courant

électrique et un mouvement des ions dans l’électrolyte.

Figure 48 : Représentation graphique des modèles pour différents cycles

représentant

Cycle V = 400s

Cycle V = 800s


71

Figure 49 : Concentration du sel d’électrolyte à t=0s

FIG 50 : Concentration du sel d’électrolyte à t=300s

Les gradients de concentration à proximité de l'extrémité en spirale sont dus au courant

circulant dans la direction de spirale.


72

Figure 51 : Potentiel de l’électrolyte à t=300s

On remarque une chute significative du potentiel à partir de la région extérieure de

l’électrolyte à travers la spirale jusqu’au la région interne d'électrolyte. Cet effet est dû à ce

que les électrodes se déchargent avec un taux beaucoup plus faible que le reste du system

en raison d'importantes chutes ohmiques dans l'électrolyte, ce qui permet un potentiel

d'équilibre presque constant tout au long de la décharge.

Les gradients de potentiel indiquent qu'il y aura aussi un courant circulant en sens spirale

bouclé par l’extrémité de la spirale.


73

Figure 52 : Taux de concentration de Li dans l’électrode négative à t=300s

Figure 53 : Taux de concentration de Li dans l’électrode positive à t=300s


74

Réactions de décharge :

Cathode

⇾ 4.3

Anode ⇾ 4.4

Les figures 52 et 53 correspondent à la concentration du lithium à la surface des d'électrode

négative et positive.

En raison de la résistivité de l’électrolyte lors du transport de lithium à partir et vers les parties

les plus internes et les plus externes de la spirale, les électrodes sont difficilement déchargées

en totalité.

Le taux de décharge est plus élevé à l'extrémité intérieure de la spirale à l'électrode négative

(Taux de Li est faible selon la formule chimique de décharge à l’électrode négative) et à son

extrémité extérieure à l’électrode positive (Taux de Li est élevé selon la formule chimique de

décharge à l’électrode positive). Cet effet contribue en générateur de courant électrochimique

bouclé à l’extrémité de la spirale.

Ces débits élevés localement aux extrêmes de la spirale entraînent habituellement une plus

courte durée de vie de ces régions que les parties intérieures de la spirale qui sont déchargées

de manière plus uniforme.

Pour ce système, il y a un une saturation du lithium dans l’électrode positive, ceci est dû à

l’intercalation de ces particules entre les couches de l’électrode. Ceci est bien établi par les

formules chimiques représentant le cycle de décharge.

6. Étude du comportement de la batterie Lithium sous des conditions

extrêmes :

On observe dans la figure 54, l’effet de la température extérieure sur la structure interne de la

batterie. En effet, quand le milieu extérieur est chaud , la variation

de température interne est rapide et a propagation radiale. Tandis que lorsque la batterie opère

au-dessous de 0 , il y a déperdition thermique ce qui explique la

propagation longitudinale de la température a l’intérieur de la batterie.


75

Figure 54 : Profil thermique de la batterie Li sous des températures extrêmes.

III. CONCLUSION

Dans un premier temps, le modèle 2 a été validé par une comparaison avec une simulation

issue de la bibliographie (modèle 1).

Tout d’abord, une analyse de l’influence de chaque paramètre de la batterie (modèle1) sur

l’aspect thermique nous a conduit à optimiser un second modèle où le potentiel est en dessous

de 4.25V et l’écart de température est bien réduit. Le modèle 2 était également testé à très

haute température et très basse température, il était conclu que la batterie répondait au processus

de charge/décharge instantané et que son aspect thermique était bien dans les normes de non-

surchauffe. Concernant le comportement spiral interne de la batterie, la variation dans la

concentration du sel du lithium et la distribution des particules Li et le potentiel de

l’électrolyte sont directement liées à l’évolution thermique de la cellule.

On peut conclure que le processus charge/décharge instantané du modèle 2 ne prévoit

aucune surchauffe, et qu’il est bien adapté pour un véhicule électrique.

Les fortes émissions de CO2 provenant d’énergies fossiles ont eu une influence indéniable sur

l’évolution de la planète tant au niveau du réchauffement climatique que de l’augmentation du

niveau de la mer.

Il est donc important de nous tourner vers l’utilisation efficace d’autres énergies à faible

empreinte CO2.

Dans le secteur de transport, le passage du véhicule thermique au véhicule électrique, en vue de

diminuer les émissions de CO2, nécessite une énergie embarquée pour assurer l’autonomie du

véhicule.

Une des meilleures façons de le faire est de convertir l’énergie chimique en énergie électrique

puisque toutes deux partagent le même vecteur qu’est l’électron.

Sur cet esprit, ce mémoire s’est porté sur la modélisation thermique d’une batterie lithium ion

destinée à un véhicule électrique.

High emissions of CO2 from fossil fuels had an undeniable influence on the evolution of the world

both in terms of global warming than the increase in sea level

It is therefore important to look to the effective use of other energy sources with low CO2

footprint.

In the transport sector, the passage of the vehicle thermal to electric vehicle, in order to reduce

CO2 emissions, requires energy board to ensure the autonomy of the vehicle.

One of the best ways to do this is to convert chemical energy into electrical energy, since both

share the same vector which is the electron.

This spirit, this paper has focused on thermal modeling of a lithium ion battery for electric vehicles.

Documents

MÉMOIRE D’INGÉNIEUR EN PHYSIQUE