Cette thèse se concentre sur la fiabilité des batteries lithium pour des applications véhicules à faible émission en CO2. Pour cela, des méthodologies de caractérisation électriques et thermiques, des protocoles et des tests de vieillissement de batteries lithium sous différents modes (cyclage actif, calendaire simple et cyclage/calendaire) ont été mis en œuvre.Une première partie de ces travaux de thèse s'attache à la modélisation et à l'estimation des états de charge et de santé de la batterie.La deuxième partie est consacrée à l'étude du vieillissement calendaire des batteries lithium utilisant la spectroscopie d'impédance comme méthode de caractérisation. Ensuite, une méthode originale pour l'évaluation de l'état santé de la batterie est proposée. Elle est basée sur l'exploitation de l'étape de charge à tension constante lors d'une recharge complète et est donc bien adaptée à une intégration au sein d'un système de gestion de batterie. L'approche introduite est validée sur des données réelles de vieillissement allant jusqu'à deux ans de test.Enfin, une étude du phénomène de régénération de la capacité suite à un vieillissement des batteries de type combiné cyclage/calendaire est menée. Cette dernière partie constitue une ouverture pour le développement de stratégies d'usage des batteries lithium en incluant leur comportement thermique.

La mesure d'impédance électrique en embarqué sur véhicule est un sujet clé pour améliorer les fonctions de diagnostic d'un pack batterie. On cherche en particulier à fournir ainsi des mesures supplémentaires à celles du courant pack et des tensions cellules, afin d'enrichir les indicateurs de vieillissement dans un premier temps, et d'état de santé et de charge dans un second temps. Une méthode classique de laboratoire pour obtenir des mesures d'impédance d'une batterie est la spectroscopie d'impédance électrochimique (ou EIS). Elle consiste à envoyer un signal sinusoïdal en courant (ou tension) de fréquence variable balayant une gamme de fréquences d'intérêt et mesurer ensuite la réponse en tension (ou courant) pour chaque fréquence. Une technique d'identification active basée sur l'utilisation des signaux large bande à motifs carrés est proposée. En particulier, des simulations ont permis de comparer les performances d'identification de différents signaux d'excitation fréquemment utilisés dans le domaine de l'identification et de vérifier les conditions correspondant à un comportement linéaire et invariant dans le temps de l'élément électrochimique. L'évaluation de la qualité d'estimation est effectuée en utilisant une grandeur spécifique : la cohérence. Cette grandeur statistique permet de déterminer un intervalle de confiance sur le module et la phase de l'impédance estimée. Elle permet de sélectionner la gamme de fréquence où la batterie respecte les hypothèses imposées par la méthode d'identification large bande. Afin de valider les résultats, une électronique de test a été conçue. Les résultats expérimentaux permettent de mettre en valeur l'intérêt de cette approche par motifs carrés. Un circuit de référence est utilisé afin d'évaluer les performances en métrologie des méthodes. L'étude expérimentale est ensuite poursuivie sur une batterie Li-ion soumise à un courant de polarisation et à différents états de charge. Des essais comparatifs avec l'EIS sont réalisés. Le cahier de charge établi à l'aide d'un simulateur de batterie Li-ion a permis d'évaluer les performances de la technique large bande proposée et de structurer son utilité pour l'estimation des états de vieillissement et de charge.

Cette thèse se concentre sur la fiabilité des batteries lithium pour des applications véhicules à faible émission en CO2. Pour cela, des méthodologies de caractérisation électriques et thermiques, des protocoles et des tests de vieillissement de batteries lithium sous différents modes (cyclage actif, calendaire simple et cyclage/calendaire) ont été mis en œuvre.Une première partie de ces travaux de thèse s’attache à la modélisation et à l’estimation des états de charge et de santé de la batterie.La deuxième partie est consacrée à l’étude du vieillissement calendaire des batteries lithium utilisant la spectroscopie d’impédance comme méthode de caractérisation. Ensuite, une méthode originale pour l’évaluation de l’état santé de la batterie est proposée. Elle est basée sur l’exploitation de l’étape de charge à tension constante lors d’une recharge complète et est donc bien adaptée à une intégration au sein d’un système de gestion de batterie. L’approche introduite est validée sur des données réelles de vieillissement allant jusqu’à deux ans de test.Enfin, une étude du phénomène de régénération de la capacité suite à un vieillissement des batteries de type combiné cyclage/calendaire est menée. Cette dernière partie constitue une ouverture pour le développement de stratégies d’usage des batteries lithium en incluant leur comportement thermique. / In this thesis, we focus on the reliability of lithium batteries used for automotive applications. For this purpose, electric and thermal characterization methodologies as well as aging tests under several modes (calendar, power cycling, calendar/power cycling) are carried out.In a first part of the work, battery modeling and battery state estimation (state-of-charge and state-of-health) are considered.Then, based on periodic characterization from electrochemical impedance spectroscopy, calendar aging is investigated. Next, we proposed an original process for precise battery state-of-health determination that exploits a full recharge and mainly constant-voltage charge step which allows easily its integration within a battery management system. Our experimental results, up to two years real-life data, confirm effectiveness of our technique.Finally, we study the capacity recovery phenomenon occurring due to combined battery aging (calendar/power cycling). This final part is almost dedicated to introduce strategies for battery use presenting at the same time a thermal behavior study.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese von neuartigen Zinn(II)alkoxiden, deren Potential für die Zwillingspolymerisation und die Darstellung von zinnhaltigen organisch-anorganischen Nanokompositen beschrieben. Partielle Hydrolyse der Zinn(II)alkoxide führt zur Bildung von fünf- und sechskernigen Zinnoxidoclustern, die eine gute Löslichkeit in organischen polaren Lösungsmitteln besitzen. Eine Nachbehandlung der durch Zwillingspolymerisation erhaltenen Hybridmaterialien unter reduzierenden Bedingungen (Ar/H2) liefert Nanokomposite bestehend aus Zinnnanopartikeln eingebettet in eine Kohlenstoff/Siliziumdioxid-Matrix. Weiterhin werden verschiedene metallhaltige Additive wie z.B. Carboxylate in der Zwillingspolymerisation verwendet und deren Eignung zur Darstellung von zinnhaltigen Nanokompositen sowie zur Legierungsbildung mit Zinn im Nanokomposit untersucht. Mit ausgewählten Materialien werden elektrochemische Messungen durchgeführt, wobei deren potentieller Einsatz als Anodenmaterial für Lithiumionen-Batterien geprüft wird (Kooperation BASF SE, Research Performance Materials GMV/P). Die Charakterisierung der neu synthetisierten Verbindungen und Nanokomposite erfolgt unter anderem mittels Einkristallröntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, Infrarotspektroskopie, Elektronenmikroskopie sowie thermischen Analysemethoden

Die Menschheit steht vor der großen Herausforderung der Energieversorgung des 21. Jahrhundert. Nirgendwo ist diese noch dringlicher geworden als im Bereich der Energiespeicherung und Umwandlung. Konventionelle Energie kommt hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen, die auf der Erde nur begrenzt vorhanden sind, und hat zu einer starken Belastung der Umwelt geführt. Zusätzlich nimmt der Energieverbrauch weiter zu, insbesondere durch die rasante Verbreitung von Fahrzeugen und verschiedener Kundenelektronik wie PCs und Mobiltelefone. Alternative Energiequellen sollten vor einer Energiekrise entwickelt werden. Die Gewinnung erneuerbarer Energie aus Sonne und Wind sind auf jeden Fall sehr wichtig, aber diese Energien sind oft nicht gleichmäßig und andauernd vorhanden. Energiespeichervorrichtungen sind daher von großer Bedeutung, weil sie für eine Stabilisierung der umgewandelten Energie sorgen. Darüber hinaus ist es eine enttäuschende Tatsache, dass der Akku eines Smartphones jeglichen Herstellers heute gerade einen Tag lang ausreicht, und die Nutzer einen zusätzlichen Akku zur Hand haben müssen. Die tragbare Elektronik benötigt dringend Hochleistungsenergiespeicher mit höherer Energiedichte. Der erste Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet Lithium-Ionen-Batterien unter Verwendung von einzelnen aufgerollten Siliziumstrukturen als Anoden, die durch nanotechnologische Methoden hergestellt werden. Eine Lab-on-Chip-Plattform wird für die Untersuchung der elektrochemischen Kinetik, der elektrischen Eigenschaften und die von dem Lithium verursachten strukturellen Veränderungen von einzelnen Siliziumrohrchen als Anoden in einer Lithium-Ionen-Batterie vorgestellt. In dem zweiten Teil wird ein neues Design und die Herstellung von flexiblen on-Chip, Festkörper Mikrosuperkondensatoren auf Basis von MnOx/Au-Multischichten vorgestellt, die mit aktueller Mikroelektronik kompatibel sind. Der Mikrosuperkondensator erzielt eine maximale Energiedichte von 1,75 mW h cm-3 und eine maximale Leistungsdichte von 3,44 W cm-3. Weiterhin wird ein flexibler und faserartig verwebter Superkondensator mit einem Cu-Draht als Substrat vorgestellt. Diese Dissertation wurde im Rahmen des Forschungsprojekts GRK 1215 "Rolled-up Nanotechnologie für on-Chip Energiespeicherung" 2010-2013, finanziell unterstützt von der International Research Training Group (IRTG), und dem PAKT Projekt "Elektrochemische Energiespeicherung in autonomen Systemen, no. 49004401" 2013-2014, angefertigt. Das Ziel der Projekte war die Entwicklung von fortschrittlichen Energiespeichermaterialien für die nächste Generation von Akkus und von flexiblen Superkondensatoren, um das Problem der Energiespeicherung zu addressieren. Hier bedanke ich mich sehr, dass IRTG mir die Möglichkeit angebotet hat, die Forschung in Deutschland stattzufinden. / Human beings are facing the grand energy challenge in the 21st century. Nowhere has this become more urgent than in the area of energy storage and conversion. Conventional energy is based on fossil fuels which are limited on the earth, and has caused extensive environmental pollutions. Additionally, the consumptions of energy are still increasing, especially with the rapid proliferation of vehicles and various consumer electronics like PCs and cell phones. We cannot rely on the earth’s limited legacy forever. Alternative energy resources should be developed before an energy crisis. The developments of renewable conversion energy from solar and wind are very important but these energies are often not even and continuous. Therefore, energy storage devices are of significant importance since they are the one stabilizing the converted energy. In addition, it is a disappointing fact that nowadays a smart phone, no matter of which brand, runs out of power in one day, and users have to carry an extra mobile power pack. Portable electronics demands urgently high-performance energy storage devices with higher energy density. The first part of this work involves lithium-ion micro-batteries utilizing single silicon rolled-up tubes as anodes, which are fabricated by the rolled-up nanotechnology approach. A lab-on-chip electrochemical device platform is presented for probing the electrochemical kinetics, electrical properties and lithium-driven structural changes of a single silicon rolled-up tube as an anode in lithium ion batteries. The second part introduces the new design and fabrication of on chip, all solid-state and flexible micro-supercapacitors based on MnOx/Au multilayers, which are compatible with current microelectronics. The micro-supercapacitor exhibits a maximum energy density of 1.75 mW h cm-3 and a maximum power density of 3.44 W cm-3. Furthermore, a flexible and weavable fiber-like supercapacitor is also demonstrated using Cu wire as substrate. This dissertation was written based on the research project supported by the International Research Training Group (IRTG) GRK 1215 "Rolled-up nanotech for on-chip energy storage" from the year 2010 to 2013 and PAKT project "Electrochemical energy storage in autonomous systems, no. 49004401" from 2013 to 2014. The aim of the projects was to design advanced energy storage materials for next-generation rechargeable batteries and flexible supercapacitors in order to address the energy issue. Here, I am deeply indebted to IRTG for giving me an opportunity to carry out the research project in Germany. September 2014, IFW Dresden, Germany Wenping Si

Dans un contexte d'accroissement du recours à des sources d'énergies renouvelables intermittentes, la palette des dispositifs de stockage électrochimique s'étend et se diversifie pour assurer l'adéquation entre ces sources intermittentes et leurs applications. La conception et le contrôle en temps réel de ces dispositifs nécessitent un modèle de l'énergie disponible au cours du fonctionnement. Or, la non-linéarité du comportement énergétique des dispositifs de stockage électrochimique en fonction des conditions d'utilisation rend cette modélisation très complexe. Aujourd'hui, l'énergie disponible est modélisée grâce à un estimateur de l'état de charge (SoC), couplé à un modèle de la tension de la batterie. L'interfaçage de ces modèles avec ceux des autres composants d'un système est souvent difficile du fait de la nature des variables de contrôle. Par ailleurs, en temps réel, ces modèles permettent difficilement de réaliser des prévisions de l'énergie disponible dans diverses conditions d'utilisation. L'approche énergétique retenue ici a permis de définir un nouvel estimateur, l'état d'énergie (SoE) et de concevoir directement un modèle de l'énergie disponible pour différentes conditions d'utilisation, sans avoir recours à une double modélisation SoC/tension. Le SoE a été utilisé pour caractériser les performances énergétiques d'accumulateurs plomb-acide et Lithium Ion. Pour ces derniers, la précision sur la prévision de l'énergie disponible a été estimée sur plusieurs profiles types.

Lithium ion batteries (LIBs) have attracted considerable interest due to their wide range of applications, such as portable electronics, electric vehicles (EVs) and aerospace applications. Particularly, the emergence of a variety of nanostructured materials has driven the development of LIBs towards the next generation, which is featured with high specific energy and large power density. Herein, rolled-up nanotechnology is introduced for the design of strain-released materials as anodes of LIBs. Upon this approach, self-rolled nanostructures can be elegantly combined with different functional materials and form a tubular shape by relaxing the intrinsic strain, thus allowing for enhanced tolerance towards stress cracking. In addition, the hollow tube center efficiently facilitates electrolyte mass flow and accommodates volume variation during cycling. In this context, such structures are promising candidates for electrode materials of LIBs to potentially address their intrinsic issues. This work focuses on the development of superior structures of Si and SnO2 for LIBs based on the rolled-up nanotech. Specifically, Si is the most promising substitute for graphite anodes due to its abundance and high theoretical gravimetric capacity. Combined with the C material, a Si/C self-wound nanomembrane structure is firstly realized. Benefiting from a strain-released tubular shape, the bilayer self-rolled structures exhibit an enhanced electrochemical behavior over commercial Si microparticles. Remarkably, this behavior is further improved by introducing a double-sided carbon coating to form a C/Si/C self-rolled structure. With SnO2 as active material, an intriguing sandwich-stacked structure is studied. Furthermore, this novel structure, with a minimized strain energy due to strain release, exposes more active sites for the electrochemical reactions, and also provides additional channels for fast ion diffusion and electron transport. The electrochemical characterization and morphology evolution reveal the excellent cycling performance and stability of such structures.

Face aux enjeux énergétiques d'aujourd'hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l'éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s'affranchir du caractère discontinu de la production d'électricité et de l'inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l'énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d'énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l'électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d'énergie renouvelable, la batterie produit de l'énergie électrique non carbonée, c'est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L'intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l'énergie et la puissance du système. Tant que la pile est alimentée en gaz, elle fournit de l'électricité, l'énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversions de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est envisagée ici, la présence d'un convertisseur DC-DC à haut rendement est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l'optimisation du rendement, deux axes de recherches sont développés. Le premier axe de recherche développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé 'miroir' obtenu dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d'efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe de recherche porte sur de nouveaux composants de puissance au nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologique et scientifique de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants.

Dans le contexte d'un développement durable, les véhicules électriques apparaissent comme une solution incontournable dans le futur. Parmi les dernières évolutions sur les batteries, les systèmes constitués d'une électrode au lithium (technologie lithium métal) présente des performances remarquables en termes de densité d'énergie. L'inconvénient majeur de cette méthodologie est lié à la formation de dendrites lors de la recharge susceptibles d'occasionner des courts-circuits conduisant à l'explosion de la batterie. C'est dans cet axe que s'inscrit mon sujet de thèse dont l'objectif est de développer un électrolyte polymère solide présentant une conductivité ionique élevée (2.10-4 S.cm-1 à40°C) et une tenue mécanique suffisante (30 MPa) pour limiter les phénomènes de croissance dendritique. Pour cela, la polymérisation contrôlée par les nitroxydes (NMP) a été utilisée pour synthétiser des copolymères à blocs avec un bloc possédant des groupes d'oxyde d'éthylène –CH2-CH2-O- permettant la conduction des ions lithium et un bloc de polystyrène assurant la tenue mécanique de l'électrolyte final. Le bloc assurant la conduction ionique des architectures ainsi synthétisées sont constituées soit de POE sous forme linéaire soit de POE sous forme de peigne. / In the context of sustainable development, electric vehicles appear to be a major solution for the future. Among the lastest technologies, the Lithium Metal Polymer battery has presented very interesting performances in terms of energy density. The main drawback of this system is the formation of lithium dendrites during the refill of the battery that could cause short circuits leading to the explosion of the battery. The aim of my PhD is to develop a Solid Polymer Electrolyte showing a high ionic conductivity (2.10-4 S.cm-1 at 40°C) and a high mechanical strength (30 MPa) to prevent dendritic growth. For that purpose, Nitroxide Mediated Polymerization is used to synthesize block copolymers with a PEO moiety for ionic conduction –CH2-CH2-O- and polystyrene for mechanical strength. Different kind of architectures have been synthesized : block copolymer with linear PEO moiety or with grafted PEO moiety.

Le polymère poreux (PM) associe les avantages double des matériaux poreux et des polymères, ayant la structure unique de pore, la porosité supérieure et la densité inférieure, ce qui possède une valeur d’application importante dans les domaines de l'adsorption, le soutien de catalyseur, le séparateur de batterie, la filtration, etc. Actuellement, il existe plusieurs façons de préparer le PM, comme la méthode de gabarit, la méthode de séparation de phase, la méthode d'imagerie respiratoire, etc. Chacune des méthodes ci-dessus existe ses propres avantages, mais la préparation à grande échelle de PM à structure de pore contrôlable et aux fonctions spécifiques est toujours un objectif à long terme sur le domaine et l'un des principaux objectifs de ce mémoire. La co-extrusion de microcouche est une méthode pour produire de façon efficace et successive des polymères avec des structures de couches alternées, ayant les avantages de haute efficacité et faible coût. Par conséquent, sur les exigences structurelles de PM de l’application spécifique, ce mémoire a conçu le PM avec une structure spécifique et une co-extrusion de microcouche de manière créative combinée avec la méthode traditionnelle de préparation de PM (méthode de gabarit, méthode de séparation de phase), en combinant les avantages des deux méthodes, les PM avec une structure de pore idéale peuvent être préparés en grande quantité et l’on peut également explorer son application dans les séparateurs de batteries au lithium-ion et l'adsorption d'hydrocarbures aromatiques polycycliques.Le plus important, dans la deuxième partie de cet essai, se trouve que la simulation micro-numérique est utilisée pour étudier le transport et le dépôt de particules dans des milieux poreux pour explorer le mécanisme des matériaux poreux dans les domaines de l'adsorption et du séparateur de batterie. Le code de 3D-PTPO (un modèle tridimensionnel de suivi des particules combinant Python® et OpenFOAM®) est utilisé pour étudier le transport et le dépôt de particules colloïdales dans des milieux poreux, l’on adopte trois modèles (colonne, venturi et tube conique) pour représenter différentes formes de matériaux poreux. Les particules sont considérées comme des points matériaux pendant le transport, le volume des particules sera reconstitué et déposé comme partie de la surface du matériau poreux pendant le dépôt, la caractéristique principale de ce code est de considérer l'influence du volume des particules déposées sur la structure des pores, les lignes d'écoulement et le processus du dépôt des autres particules. Les simulations numériques sont d'abord conduites dans des capillaires simples, le travail de chercheurs de Lopez et d’autres est réexaminé en établissant un modèle géométrique tridimensionnel plus réaliste et il explore les mécanismes cachés derrière les règles de transmission et de dépôt. Par la suite, des simulations numériques sont effectuées dans des capillaires convergents-divergents pour étudier la structure des pores et l'effet de nombre Peclet sur le dépôt de particules. Enfin, l’on étudie l’effet double de l'hétérogénéité de surface et de l'hydrodynamique sur le comportement de dépôt de particules. / Due to the combination of the advantages of porous media and polymer materials, polymeric porous media possess the properties of controllable porous structure, easily modifiable surface properties, good chemical stability, etc., which make them applicable in a wide range of industrial fields, including adsorption, battery separator, catalyst carrier, filter, energy storage, etc. Although there exist various preparation methods, such as template technique, emulsion method, phase separation method, foaming process, electrospinning, top-down lithographic techniques, breath figure method, etc., the large-scale preparation of polymeric porous media with controllable pore structures and specified functions is still a long-term goal in this field, which is one of the core objectives of this thesis. Therefore, in the first part of the thesis, polymeric porous media are firstly designed based on the specific application requirements. Then the designed polymeric porous media are prepared by the combination of multilayer coextrusion and traditional preparation methods (template technique, phase separation method). This combined preparation method has integrated the advantages of the multilayer coextrusion (continuous process, economic pathway for large-scale fabrication, flexibility of the polymer species, and tunable layer structures) and the template/phase separation method (simple preparation process and tunable pore structure). Afterwards, the applications of the polymeric porous media in polycyclic aromatic hydrocarbons adsorption and lithium-ion battery separator have been investigated.More importantly, in the second part of the thesis, numerical simulations of particle transport and deposition in porous media are carried out to explore the mechanisms that form the theoretical basis for the above applications (adsorption, separation, etc.). Transport and deposition of colloidal particles in porous media are of vital important in other applications such as aquifer remediation, fouling of surfaces, and therapeutic drug delivery. Therefore, it is quite worthy to have a thorough understanding of these processes as well as the dominant mechanisms involved. In this part, the microscale simulations of colloidal particle transport and deposition in porous media are achieved by a novel colloidal particle tracking model, called 3D-PTPO (Three-Dimensional Particle Tracking model by Python® and OpenFOAM®) code. The particles are considered as a mass point during transport in the flow and their volume is reconstructed when they are deposited. The main feature of the code is to take into account the modification of the pore structure and thus the flow streamlines due to deposit. Numerical simulations were firstly carried out in a capillary tube considered as an element of an idealized porous medium composed of capillaries of circular cross sections to revisit the work of Lopez and co-authors by considering a more realistic 3D geometry and also to get the most relevant quantities by capturing the physics underlying the process. Then microscale simulation is approached by representing the elementary pore structure as a capillary tube with converging/diverging geometries (tapered pipe and venturi tube) to explore the influence of the pore geometry and the particle Péclet number (Pe) on particle deposition. Finally, the coupled effects of surface chemical heterogeneity and hydrodynamics on particle deposition in porous media were investigated in a three-dimensional capillary with periodically repeating chemically heterogeneous surfaces.