Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Wirkmechanismus der elektrischen Leitfähigkeit in Blei-Säure-Batterien. Obwohl ihm eine zentrale Rolle beim „Kohlenstoff-Effekt“ zugeordnet wird, ist der Wirkmechanismus der elektrischen Leitfähigkeit bislang vergleichsweise wenig untersucht worden und konnte dementsprechend noch nicht vollständig aufgeklärt werden. Mit dem Anspruch, diese Forschungslücke zu schließen, zielt die vorliegende Doktorarbeit darauf ab, den Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit auf die Performance der Blei-Säure-Batterie systematisch herauszuarbeiten und so einen Beitrag zur Generierung neuer Entwicklungsansätze zu leisten, z. B. in Form von maßgeschneiderten Additiven. Bislang ist noch unklar, ob allein die elektrische Leitfähigkeit des Aktivmaterials relevant ist oder diese auch durch Additive beeinflusst wird. Das liegt vor allem daran, dass geeignete Messmethoden fehlen und deshalb der Einfluss von Additiven auf die elektrische Leitfähigkeit des Aktivmaterials wenig untersucht wurde. Deswegen zielt diese Arbeit auch darauf ab, eine neuartige Messmethode zu entwickeln, um die elektrische Leitfähigkeit des Aktivmaterials im laufenden Betrieb bestimmen zu können. Aufgrund der Vorkenntnisse und Vorarbeiten am Fraunhofer ISC werden die Untersuchungen dabei auf die negative Elektrode limitiert. Insgesamt unterteilt sich die Doktorarbeit in die zwei Abschnitte. Im ersten Abschnitt werden elektrisch isolierende Stöber-Silica als Additive im negativen Aktivmaterial eingesetzt, um den Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit des Additivs auf die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie herauszustellen. Untersucht wird dabei die u.a. die Doppelschichtkapazität, die Wasserstoffentwicklung und die dynamische Ladeakzeptanz. Im zweiten Abschnitt steht die elektrische Leitfähigkeit des negativen Aktivmaterials im Fokus. Es wird zunächst eine neue Messmethodik entwickelt, die ihre in-situ- und operando-Bestimmung ermöglicht. Nach einer umfassenden Evaluierung und der Betrachtung verschiedener Betriebsparameter wird die Methodik für eine erste proof-of-concept-Messreihe angewendet, um den Einfluss von Additiven auf die elektrische Leitfähigkeit des negativen Aktivmaterials zu untersuchen. / This dissertation deals with the effect mechanism of electrical conductivity in lead-acid batteries. Although it is believed to play a key role in the "carbon effect", the effect mechanism of electrical conductivity has been studied to lesser extent than other factors so far and accordingly has not yet been fully elucidated. With the aim of closing this research gap, the present dissertation aims to systematically work out the influence of electrical conductivity on lead-acid battery performance and thus contribute to the generation of new development approaches, e.g. in the form of tailored additives. So far, it is still unclear whether the electrical conductivity of the active material alone is relevant or whether this is also influenced by additives. This is mainly due to the fact that suitable measurement methods are lacking and therefore the influence of additives on the electrical conductivity of the active material has been investigated to less extent. Therefore, this work also aims to develop a novel measurement method to determine the electrical conductivity of the active material during operation. Due to the previous knowledge and work at Fraunhofer ISC, the investigations are limited to the negative electrode. Overall, the thesis is divided into two sections. In the first section, electrically insulating Stöber silica particles are used as additives in the negative active material in order to highlight the influence of the electrical conductivity of the additive on the electrochemical properties of the battery. Among other things, the double-layer capacitance, hydrogen evolution and dynamic charge acceptance are investigated. The second section focuses on the electrical conductivity of the negative active material. First, a new measurement methode is developed that allows its in-situ and operando determination. After a comprehensive evaluation and consideration of various operational parameters, the methodology is applied to a first proof-of-concept series of measurements to investigate the influence of additives on the electrical conductivity of the negative active material.

In the first part of this thesis, a validation of both short-term and long-term DCA tests on 2 V laboratory cells is focussed. The aim is to improve the laboratory cell level measurement technology for dynamic charge acceptance regarding the investigation of carbon additives. To address this issue, it is crucial to apply carbon additives generating a remarkable difference in charge acceptance. For this purpose, five different carbon additives providing a variation in the specific external surface were included as additives in the negative plates of 2 V lead-acid cells. Both short-term (charge acceptance test 2 from SBA and DCA from EN) and long-term (Run-in DCA from Ford) DCA tests were executed on the lead-acid cells. Further understanding of the mechanism was studied by applying electrochemical methods like cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The second part of this thesis aims to understand the impact of carbon surface functional groups on the electrochemical activity of the negative electrodes as well as the DCA of 2 V lead-acid cells. In order to address this topic, commercially available activated carbon was modified by different chemical treatments to incorporate specific surface functional groups in the carbon structure. A series of activated carbons having a broad range of pH was prepared, which were used as additives in the negative electrodes. The corresponding lead-acid cells were subjected to cyclic voltammetry and DCA test according to EN. Further, the physical and chemical properties of the functionalized carbon additives were intensively analyzed to establish a structure-property relationship with a focus on DCA. / Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die Validierung von Kurzzeit- und Langzeit-DCA-Tests an 2-V-Laborzellen. Ziel ist es, die Messtechnik für die dynamische Ladungsakzeptanz auf Laborzellenniveau im Hinblick auf die Untersuchung von Kohlenstoffadditiven zu verbessern. Dazu ist es entscheidend, Kohlenstoffadditive einzusetzen, die einen deutlichen Unterschied in der Ladungsakzeptanz bewirken. Zu diesem Zweck wurden fünf verschiedene Kohlenstoffadditive, die eine Variation der spezifischen äußeren Oberfläche bewirken, als Additive in die negativen Platten von 2-V-Blei-Säure-Zellen eingebracht. An den Blei-Säure-Zellen wurden sowohl Kurzzeit- (Ladeakzeptanztest 2 von SBA und DCA von EN) als auch Langzeit-DCA-Tests (Run-in DCA von Ford) durchgeführt. Zum weiteren Verständnis des Mechanismus wurden elektrochemische Methoden wie zyklische Voltammetrie und elektrochemische Impedanzspektroskopie eingesetzt. Der zweite Teil dieser Arbeit zielt darauf ab, den Einfluss der funktionellen Kohlenstoffoberflächengruppen auf die elektrochemische Aktivität der negativen Elektroden sowie auf die DCA von 2-V-Bleisäurezellen zu verstehen. Zu diesem Zweck wurde handelsübliche Aktivkohle durch verschiedene chemische Behandlungen modifiziert, um spezifische funktionelle Oberflächengruppen in die Kohlenstoffstruktur einzubringen. Es wurde eine Reihe von Aktivkohlen mit einem breiten pH-Bereich hergestellt, die als Zusätze in den negativen Elektroden verwendet wurden. Die entsprechenden Blei-Säure-Zellen wurden der zyklischen Voltammetrie und dem DCA-Test gemäß EN unterzogen. Außerdem wurden die physikalischen und chemischen Eigenschaften der funktionalisierten Kohlenstoffadditive intensiv analysiert, um eine Struktur-Eigenschafts-Beziehung mit Schwerpunkt auf DCA herzustellen.

The increased popularity of electric vehicles and e-mobility among the people, have encouraged many automotive companies and research organisations to develop good strategies for drivetrain designs involving batteries. As seen in the department of Alternative Powertrains research is carried out on hybrid fuel cell and electric vehicles. This thesis deals with the development of lithium ion battery model for electric vehicle simulations. A novel approach using black box modelling is developed for development of battery model using only the available battery measurements. Furthermore, a measurement test strategy is formulated providing the process direction and measurement parameters to be considered. Developed battery model provide voltage estimates for given Charge rate,temperature and State of Charge (SOC). The comparison of experimentally obtained and model estimated values. The model developed has a very good accuracy in estimation.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l'étude thermique des batteries Li-ion en vue d'une application de gestion thermique pour l'automobile. La compréhension des phénomènes thermiques à l'échelle accumulateur est indispensable avant de réaliser une approche de type module ou pack batterie. Ces phénomènes thermiques sont mis en évidence à partir d'une modélisation thermique globale de deux accumulateurs de différentes chimies, en décharge à courant constant. La complexité du caractère résistif de l'accumulateur Li-ion a mené au développement d'un modèle prenant en compte l'interaction entre les phénomènes électrochimiques et thermiques, permettant une approche prédictive de son comportement. Enfin la réalisation de deux boucles expérimentales, de simulation de systèmes de gestion thermique d'un module de batterie, montre les limites d'un refroidissement classique par air à respecter les critères de management thermique. En comparaison, le second système basé sur l'intégration innovante d'un matériau à changement de phase (MCP) se montre performant lors de situations usuelles, de défauts ou encore lors du besoin d'une charge rapide de la batterie.

Dans le cadre du développement des véhicules électriques et hybrides, la connaissance et la gestion de l'énergie du pack de batteries est une problématique majeure. Pour cela, les constructeurs automobiles ont besoin de modèles numériques pour représenter le comportement dynamique des batteries. L'objectif de cette thèse est de développer, d'une part une méthodologie de caractérisation du comportement dynamique des cellules de batterie et de leurs assemblages et d'autre part des modèles numériques associés qui soient simples, rapides, robustes, présentant le meilleur compromis précision/simplicité. La première partie du travail de la thèse a consisté à développer une nouvelle méthode de caractérisation expérimentale avec un modèle de circuit électrique équivalent, qui permet de s'appliquer facilement à différentes batteries et de calibrer la complexité du modèle (nombre de circuits utilisés) en fonction de la durée des mesures de la phase de repos après une sollicitation. Le modèle généré est capable de suivre les évolutions rapides et lentes de la tension de la batterie, ce qui peut améliorer l'estimation de la tension dans les applications BMS (Battery Management System). Des essais de validations sur différentes batteries ont montré que les modèles générés permettent une prédiction précise du comportement dynamique de la batterie. Ensuite, le manuscrit aborde les assemblages des cellules en série avec la méthode de caractérisation élaborée. Elle commence par une définition énergétique de l'assemblage. Puis, la modélisation de l'assemblage avec la méthode de caractérisation est discutée. Les essais de validation ont été menés sur différents assemblages et ont montré que le comportement dynamique de l'assemblage peut aussi être bien représenté avec les modèles identifiés / As part of the development of electric and hybrid vehicles, energy management in the battery pack is a major issue. Car manufacturers need a numerical model to represent the dynamic behavior of batteries. The objective of this work is to develop, on the one hand, a characterization method of the dynamic behavior of battery cells and their assemblies, and on the other hand the combined numerical models which are simple, fast, robust and with the best accuracy/simplicity compromise. The first part of the work is dedicated to develop a new experimental characterization method with an equivalent circuit model, which can be applied easily to different battery cells and allows calibrating the complexity of the model (number of the RC circuits) according to the measurement duration of the resting phase after a solicitation. Therefore, the generated model is able to follow the rapid and slow voltage change of the battery cell, which improves voltage and state of charge estimation for the BMS (Battery Management System) applications. The validation tests on different battery cells show that the generated model allows accurate prediction of the battery cell’s dynamic behavior. The second part of the work studies the cell assemblies with cells connected in series. It begins with an energy definition of the cell assembly. Then modelling of the assembly with the developed characterization method is discussed. The validation tests were carried out on different assemblies and show that the dynamic behavior of the assembly can be also well represented with the identified models

La gestion des sources renouvelables est probablement l'un des enjeux majeurs du 21ème siècle. La part croissante de ces ressources intermittentes et fluctuantes telles que les énergies solaires, éoliennes et marines connectées au réseau électrique requiert des systèmes de stockage efficaces pour sécuriser et réguler l'approvisionnement électrique. L'objectif principal de cette thèse est donc la création de batteries aqueuses écologiques et durables à base de matériaux organiques à faible coût. En particulier, ce projet avait pour but d’identifier des stratégies pour synthétiser, comprendre et modifier des matériaux redox idoines pour en optimiser les réactions électrochimiques et chimiques. De plus, cette technologie a nécessité une mise en oeuvre particulière de ces matériaux mettant en jeu des électrodes millimétriques jamais réalisées à ce jour. Une nouvelle famille de molécules redox de type p/n a été identifiée. Leur comportement électrochimique, rationalisés par de nombreuses caractérisations physiques, a mis en évidence l’échange simultané de cations et d’anions ce qui n’a jamais été montré dans le domaine des batteries. En outre ce matériau permet une cyclabilité remarquable notamment dans l’eau de mer. La synthèse et le comportement électrochimique de différents dérivés du TEMPO en tant que matériaux actifs d'électrode positive ont également été évalués. Sur la base de ces découvertes des résultats très encourageants ont été obtenus avec les batteries aqueuses organiques complètes composées d'électrodes millimétriques. / The management of renewable sources is probably one of the major issues of the 21st century. The increasing share of these intermittent and fluctuating sources such as solar, wind and marine energies connected to the electrical grid pushes towards the need for efficient storage systems to secure and regulate the supply of electricity. The main target of this thesis is therefore the creation of a low cost and sustainable full-organic aqueous cell. In particular, this project consisted in identifying strategies for synthesizing, understanding and modifying various organic redox materials to optimize their electrochemical and chemical behavior. In addition, the economic viability of this (new) technology required a particular implementation of organic materials according to industrially scalable processes, in millimeter thick electrodes ever made to date. As a result, a new p-/n-type redox active molecule and its electrochemical behavior in aqueous electrolyte has been presented. Further improvements have been achieved by modifying the previous compound into an oligomeric p-/n-type assembly which shows remarkable performance as cutting-edge negative electrode active material. This is the first redox material in the field of batteries able to exchange both anions and cations simultaneously. Extended cycling has been obtained in various electrolytes, including ocean water. The synthesis and the electrochemical behavior of different TEMPO derivatives as possible positive electrode active materials have been also evaluated. Finally, very encouraging results have been obtained by assembling full organic aqueous batteries composed of millimeter thick electrodes.

Ces travaux ont pour objet la synthèse et la caractérisation de nouveaux électrolytes polymères pour batterie lithium métal polymère (LMP). L’objectif principal de ces électrolytes est de combiner une conductivité ionique élevée jusqu’à basse température et une résistance efficace contre les dendrites de lithium. Pour y parvenir, trois catégories de copolymères à bloc ont été élaborés, ils permettent d’obtenir une synergie de propriétés à priori antagonistes au sein d’un même matériau. Premièrement, la rigidité du polystyrène (PS) a été combinée à la conductivité du polyoxyéthylène (POE) dopé avec un sel de lithium (LiTFSI). Le POE a été préalablement modifié pour en abaisser la température de fusion (Tf) initialement située à 60°C, ce qui permet d’atteindre de hautes conductivités (7.10-5 S.cm-1) à 40°C, associées à un module d’Young de 0,3 MPa. Cependant, les bonnes conductivités de ces matériaux ne sont assurées que par une petite fraction de Li+ (t+=0,15). Cela crée des gradients de concentration qui limitent les performances des batteries. Pour pallier cela, l’anion TFSI a été greffé sur le bloc PS (PSTFSI), augmentant le t+ à 1. Le bloc PSTFSI combiné à du POE modifié a permis des conductivités remarquables pour un électrolytes solide (10-6 S.cm-1 @ 40°C). Dans un second temps, l’ajout d’une chaine perfluorée entre le PS et l’anion a permis un gain supplémentaire de conductivité par rapport au PSTFSI (2.10-5 S.cm-1 @ 60°C), uniquement assurée par les Li+. Dans chacune des trois catégories d’électrolytes plusieurs compositions ont été synthétisées, nous permettant de suivre l’impact de cette composition sur les morphologies, les propriétés thermodynamique et mécanique ainsi que sur les propriétés de transport. Finalement, des batteries LMP de laboratoire ont été assemblées avec les meilleurs électrolytes. / This work deals with synthesis and characterization of new polymer electrolytes for lithium metal polymer (LMP) batteries. The main challenge of polymer electrolytes is to combine both high ionic conductivity at low temperature and good mechanical properties. To overcome these issues, block copolymers have been designed. Remarkable properties are reached thanks to the self-assembly of these triblock copolymers. Mechanical properties are given by stiff polystyrene (PS) domains whereas ionic mobility operates in an ionophilic phase, polyoxyethylene (POE) with a lithium salt (LiTFSI). By introducing chemical defects in the POE backbone, melting temperature of the copolymer has been considerably lowered leading to conductivities of about 7.10-5 S.cm-1 and a Young’s modulus of 0.3 MPa at 40°C. If interesting properties are obtained thanks to this strategy, the small fraction of conductivity insured by lithium ions (t+=0.15) remains an issue. The low t+ leads to large concentration gradients limiting the performances of the system. In a second approach, TFSI anions have been covalently tethered on the PS backbone, raising the t+ to 1. An important increase of Li+ conductivity was obtained by adding a perfluorinated spacer between PS and TFSI moieties, with an ionophilic phase based on PEO (2.10-5 S.cm-1 @ 60°C). The chemical modification of the PEO block leads to Li+ conductivities of 10-6 S.cm-1 at 40°C. The composition of these different copolymers have been varied and their structural, thermal, mechanical and transport properties have been studied. Finally the best electrolytes of each category have been assessed in a full cell configuration.

Le but de ce mémoire de maîtrise est de prouver que la batterie de test UY-T est un instrument valide et fidèle pour évaluer le niveau de fragilité des femmes vieillissantes. Nous vous démontrerons comment cette nouvelle batterie de tests peut dépister le niveau de fragilité des adultes vieillissants. Par sa simplicité, cette batterie de tests risque d'intéresser tous les types d'intervenants du domaine de la santé, intéressés par les impacts du vieillissement physique de la population. Découvrez comment la batterie de tests UY-T est, à plusieurs égards, plus performante que le traditionnel PPT, considéré encore aujourd'hui comme le « golden standard » dans le domaine de l'évaluation de la capacité fonctionnelle chez l'adulte vieillissant. Elle se démarque par le fait de pouvoir quantifier objectivement la performance fonctionnelle à partir de tests quantitatifs qui facilite l'appréciation des progrès par une comparaison directe des résultats lors de 2 évaluations successives. Avec cet outil, nous serons en mesure d'établir un plan d'action pour la personne concernée, afin qu'elle reçoive les services appropriés comme un programme d'entraînement physique qui permettrait d'améliorer et/ou maintenir leurs capacités fonctionnelles. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : fragilité, capacité fonctionnelle, batterie de tests, adulte vieillissant

Les batteries tout-solides à ions fluorures reposent sur l'échange réversible d'ions F- entre un métal et un fluorure métallique au travers d'un électrolyte solide. Ces dispositifs électrochimiques peuvent théoriquement permettre l'obtention de fortes densités énergétiques, bien supérieures à celles des batteries conventionnelles Li-ion commerciales. En conséquence, les batteries à ions F- suscitent un fort engouement. Dans ce contexte, une partie de nos travaux ont portés sur le développement d'une cellule permettant d'évaluer leurs performances. De plus, les propriétés électrochimiques de l'électrolyte solide LaF3 dopé BaF2, La1-xBaxF3-x, ont fait l'objet d'une attention particulière. Finalement, les changements structuraux s'effectuant au sein des électrodes lors des cycles de charge/décharge ont été étudiés afin de mieux comprendre les mécanismes électrochimiques mis en jeu. / Solid-state fluoride-ion batteries rely on the reversible exchange of the F- ion between a metal and a metal fluoride through a solid electrolyte. These electrochemical devices can theoretically reach energy densities superior to conventional Li-ion commercial batteries. Consequently, fluoride-ion batteries can be seen as a new promising chemistry generating a growing interest. In this context, a part of our work has been dedicated to the development of a cell allowing the evaluation of their electrochemical performance. Moreover, particular attention was given to the electrochemical properties of the solid electrolyte, BaF2-doped LaF3, La1-xBaxF3-x. Finally, the structural changes taking place at the electrodes upon charge/discharge were studied in order to gain insight into the electrochemical mechanisms involved in these devices.

La miniaturisation des batteries est devenue un défi technologique pour certaines industries. Ces micro-batteries, d’une dizaine de micromètres d’épaisseur, ont pour objectif d’alimenter des systèmes de taille réduite. Le LIPON est un des électrolytes envisagés pour leur fabrication. Il est déposé en couche-mince par pulvérisation magnétron radiofréquence de Li₃PO₄ sous plasma d’azote. Cette thèse étudie le comportement des particules au sein du plasma et formant le dépôt. Des mesures expérimentales d’émission optique et de densité électronique ont été mises en place, afin de fournir des données d’entrée et de validation pour différents modèles numériques. Le premier modèle décrit la cinétique réactionnelle au coeur du plasma, en 0D, afin d’identifier les espèces chimiques majoritaires et les réactions dominantes. Ceci a permis de concevoir une cinétique simplifiée pour le second modèle, 2D, traitant le déplacement des espèces chargées dans le plasma et permettant de caractériser la pulvérisation de la cible par les ions, tant au niveau des zones de pulvérisation de leur énergie et angle d’incidence. Les résultats obtenus ont été employés dans un modèle 3D simulant les trajectoires des atomes pulvérisés, afin d’étudier la répartition atomique sur le substrat et de déduire la composition de la couche mince déposée. Des caractéristiques propres à la cible lors de la pulvérisation ont été mises en évidence et confirmées par la comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux. / The scale reduction of batteries is a real technological challenge for the near future. These micro-batteries, about ten micrometers thick, are used to supply the power for small sized systems. LIPON is one of the most suitable electrolytes considered for industrial scale production. It is deposited in thin-film by radiofrequency magnetron sputtering of Li₃PO₄ in nitrogen plasma. This thesis is focused on particles behavior in plasma and during deposition. Optical emission spectroscopy and electron density measurements have been performed, to provide data used as input or validation for several numerical models. The first model describes plasma kinetics in the magnetron reactor, as 0D global model, and helps to identify the main chemical species and important reactions. This information has been useful to define a simplified kinetics for the second model, 2D, dealing with the charged species behavior in the plasma and describing target sputtering by ion bombardment. It provides the sputtered areas, ion energy and impinging angle onto the target. These obtained results have been employed in a 3D model that simulates sputtered atoms transport from the target to the substrate and predicting the thin-film features. Some characteristics of the target during sputtering have been highlighted and confirmed by the direct comparison between numerical and experimental results.