This thesis uses first principles techniques, mainly the ab initio random structure searching method (AIRSS), to study anode materials for lithium- and sodium- ion batteries (LIBs and NIBs, respectively). Initial work relates to a theoretical structure prediction study of the lithium and sodium phosphide systems in the context of phosphorus anodes as candidates for LIBs and NIBs. The work reveals new Li-P and Na-P phases, some of which can be used to better interpret previous experimental results. By combining AIRSS searches with a high-throughput screening search from structures in the Inorganic Crystal Structure Database (ICSD), regions in the phase diagram are correlated to different ionic motifs and NMR chemical shielding is predicted from first principles. An electronic structure analysis of the Li-P and Na-P compounds is performed and its implication on the anode performance is discussed. The study is concluded by exploring the addition of aluminium dopants to the Li-P compounds to improve the electronic conductivity of the system. The following work deals with a study of tin anodes for NIBs. The structure prediction study yields a variety of new phases; of particular interest is a new NaSn$_2$ phase predicted by AIRSS. This phase plays a crucial role in understanding the alloying mechanism of high-capacity tin anodes, work which was done in collaboration with experimental colleagues. Our predicted theoretical voltages give excellent agreement with the experimental electrochemical cycling curve. First principles molecular dynamics is used to propose an amorphous Na$_1$Sn$_1$ model which, in addition to the newly derived NaSn$_2$ phase, provides help in revealing the electrochemical processes. In the subsequent work, we study Li-Sn and Li-Sb intermetallics in the context of alloy anodes for LIBs. A rich phase diagram of Li-Sn is present, exhibiting a variety of new phases. The calculated voltages show excellent agreement with previously reported cycling measurements and a consistent structural evolution of Li-Sn phases as Li concentration increases is revealed. The study concluded by calculating NMR parameters on the hexagonal- and cubic-Li$_3$Sb phases which shed light on the interpretation of reported experimental data. We conclude with a structure prediction study of the pseudobinary Li-FeS$_2$ system, where FeS$_2$ is considered as a potential high-capacity electrochemical energy storage system. Our first principles calculations of intermediate structures help to elucidate the mechanism of charge storage observed by our experimental collaborators via $\textit{in operando}$ studies.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:53:03Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:58:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O objetivo do presente trabalho foi a avaliação do envelhecimento de um tubo de raios X com anodo de tungstênio utilizado para aplicações de radiodiagnóstico, por meio de aplicação de cargas de acordo com distribuições de cargas de trabalho da realidade brasileira e avaliações periódicas de grandezas associadas à qualidade de radiação produzida. Para o propósito deste trabalho, um sistema clínico com retificação monofásica de onda completa foi utilizado. Para avaliação em longo prazo das características do tubo de raios X relacionadas à carga de trabalho foi necessária a medição de parâmetros que pudessem representar de forma quantitativa o envelhecimento do tubo de raios X, estando estes relacionados principalmente ao desgaste do anodo. Esta medição indireta do envelhecimento do tubo levou a escolha de quatro parâmetros, alguns deles normalmente empregados na prática de controle de qualidade de equipamentos de radiologia diagnóstica: primeira e segunda camada semi-redutora (CSR), dimensões dos pontos focais, medida não invasiva do Potencial de Pico Prático e espectrometria de raios X. Estes parâmetros foram medidos inicialmente e após cada aplicação de carga pertinente. Para garantir a confiabilidade dos resultados, condições de reprodutibilidade foram estabelecidas para cada parâmetro de avaliação. As incertezas envolvidas em todos os processos de medição foram calculadas para avaliação da real contribuição dos efeitos do envelhecimento do tubo de raios X nos parâmetros não invasivos. Dentre os parâmetros avaliados, os que mostraram maior sensibilidade aos efeitos da aplicação de carga em longo prazo foram as energias médias obtidas por meio de espectrometria de raios X e as camadas semi-redutoras. Um modelo relacionado a estes parâmetros foi aplicado e estimativas da taxa de envelhecimento do tubo de raios X para diferentes tensões de aceleração e correntes anódicas foram obtidas. / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Recent advances in the electric & hybrid electric vehicles and rapid developments in the electronic devices have increased the demand for high power and high energy density lithium ion batteries. Graphite (theoretical specific capacity: 372 mAh/g) used in commercial anodes cannot meet these demands. Amorphous SnO2 anodes (theoretical specific capacity: 781 mAh/g) have been proposed as alternative anode materials. But these materials have poor conductivity, undergo a large volume change during charging and discharging, large irreversible capacity loss leading to poor cycle performances. To solve the issues related to SnO2 anodes, we propose to synthesize porous SnO2 composites using electrostatic spray deposition technique. First, porous SnO2/CNT composites were fabricated and the effects of the deposition temperature (200,250, 300 oC) & CNT content (10, 20, 30, 40 wt %) on the electrochemical performance of the anodes were studied. Compared to pure SnO2 and pure CNT, the composite materials as anodes showed better discharge capacity and cyclability. 30 wt% CNT content and 250 oC deposition temperature were found to be the optimal conditions with regard to energy capacity whereas the sample with 20% CNT deposited at 250 oC exhibited good capacity retention. This can be ascribed to the porous nature of the anodes and the improvement in the conductivity by the addition of CNT. Electrochemical impedance spectroscopy studies were carried out to study in detail the change in the surface film resistance with cycling. By fitting EIS data to an equivalent circuit model, the values of the circuit components, which represent surface film resistance, were obtained. The higher the CNT content in the composite, lower the change in surface film resistance at certain voltage upon cycling. The surface resistance increased with the depth of discharge and decreased slightly at fully lithiated state. Graphene was also added to improve the performance of pure SnO2 anodes. The composites heated at 280 oC showed better energy capacity and energy density. The specific capacities of as deposited and post heat-treated samples were 534 and 737 mAh/g after 70 cycles. At the 70th cycle, the energy density of the composites at 195 °C and 280 °C were 1240 and 1760 Wh/kg, respectively, which are much higher than the commercially used graphite electrodes (37.2-74.4 Wh/kg). Both SnO2/CNTand SnO2/grapheme based composites with improved energy densities and capacities than pure SnO2 can make a significant impact on the development of new batteries for electric vehicles and portable electronics applications.

Dans l’industrie de l’aluminium, le coke de pétrole calciné est considéré comme étant le composant principal de l’anode. Une diminution dans la qualité du coke de pétrole a été observée suite à une augmentation de sa concentration en impuretés. Cela est très important pour les alumineries car ces impuretés, en plus d’avoir un effet réducteur sur la performance des anodes, contaminent le métal produit. Le coke de pétrole est aussi une source de carbone fossile et, durant sa consommation, lors du processus d’électrolyse, il y a production de CO2. Ce dernier est considéré comme un gaz à effet de serre et il est bien connu pour son rôle dans le réchauffement planétaire et aussi dans les changements climatiques. Le charbon de bois est disponible et est produit mondialement en grande quantité. Il pourrait être une alternative attrayante pour le coke de pétrole dans la fabrication des anodes de carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse pour la production de l’aluminium. Toutefois, puisqu’il ne répond pas aux critères de fabrication des anodes, son utilisation représente donc un grand défi. En effet, ses principaux désavantages connus sont sa grande porosité, sa structure désordonnée et son haut taux de minéraux. De plus, sa densité et sa conductivité électrique ont été rapportées comme étant inférieures à celles du coke de pétrole. L’objectif de ce travail est d’explorer l’effet du traitement de chaleur sur les propriétés du charbon de bois et cela, dans le but de trouver celles qui s’approchent le plus des spécifications requises pour la production des anodes. L’évolution de la structure du charbon de bois calciné à haute température a été suivie à l’aide de différentes techniques. La réduction de son contenu en minéraux a été obtenue suite à des traitements avec de l’acide chlorhydrique utilisé à différentes concentrations. Finalement, différentes combinaisons de ces deux traitements, calcination et lixiviation, ont été essayées dans le but de trouver les meilleures conditions de traitement. / In aluminum industry, calcined petroleum coke is considered as the major component in anode recipe. There is a trend of degrading quality of petroleum coke as the level of impurities is increasing. This is important for the aluminum industry because these impurities reduce the anode performance and contaminate the produced metal. In addition, petroleum coke is a fossil source of carbon and CO2, produced during its consumption in aluminum electrolysis is considered as a greenhouse gas (GHG) with a well-known role in the global warming and climate changes. Due to its availability and massive worldwide production, wood charcoal is an attractive alternative for petroleum coke in production of carbon anode for aluminum smelting process. However, using charcoal in anode production is a big challenge since it does not meet the specifications required for anode making. The very porous and disordered carbon structure and its relatively high minerals content are considered as serious disadvantages. In addition, its density and electrical conductivity were reported to be lower than those of petroleum coke. This work explores the effect of heat treatment on properties of charcoal with the aim to bring them closer to the specifications required for anode making. At high temperature, the structural evolution of charcoal was detected using several techniques. In addition, various acid leaching conditions were used to reduce the ash content. Different calcination/acid leaching combinations were performed to attain the optimum treatment condition. The materials were then characterized for air and CO2 reactivity in order to assess their potential application in anode manufacturing.

Les anodes en carbone font partie de la réaction chimique de réduction de l'alumine, qui est consommée lors du procédé d'électrolyse Hall-Héroult. Le comportement des agrégats secs de coke en tant que composant principal des anodes de carbone (environ 85 %) a un rôle clé et exceptionnel dans leurs propriétés finales. L'analyse de défaillance des agrégats de coke sec permet non seulement de mieux comprendre les mécanismes de déformation des matériaux granulaires sous charge compressive, mais peut également identifier les causes potentielles de défauts structurels des anodes en carbone, telles que les fissures horizontales. Dans ce travail, il sera montré qu'un mode de défaillance particulier peut être responsable de la génération de fissures dans les anodes en carbone. Le comportement de rupture des agrégats de coke n 'est pas seulement affecté par les paramètres du processus de compactage, tels que la pression de confinement et la vitesse de déformation axiale, mais il dépend également fortement de la distribution granulométrique et de la forme des particules de coke. La méthode des éléments discrets (DEM) est utilisée pour modéliser le comportement micromécanique des agrégats de coke sec pendant le processus de compactage. De plus, le critère de travail de second ordre est utilisé pour analyser la rupture des éprouvettes de granulats de coke. Les résultats révèlent que l'augmentation de la pression de confinement augmente la probabilité du mode de diffusion de la rupture dans l'éprouvette. D'autre part, l'augmentation de la vitesse de déformation augmente les chances du mode de localisation de la déformation de la rupture dans l'éprouvette. De plus, les résultats indiquent que l'utilisation de fines particules ainsi que la diminution de la sphéricité des particules de coke augmenteront la plage de stabilité des agrégats de coke. De plus, en utilisant l'analyse des évaluations de contour de micro-déformation pendant le processus de compactage, il est montré que, à la fois en ajoutant des particules fines aux agrégats de coke et en diminuant la sphéricité des particules de coke, la possibilité de créer une bande de compression dans le coke agrégats est réduit. Étant donné que la présence des bandes de compactage dans la pâte d'anode crée une zone sujette à la génération de fissures horizontales, les résultats de cette étude pourraient conduire à la production d'anodes en carbone avec moins de défauts structurels. / Carbon anodes are part of the chemical reaction of alumina reduction, that is consumed during the Hall-Héroult electrolysis process. The behavior of dry coke aggregates as the main component of carbon anodes (about 85 %) has an exceptional key role in their final properties. The failure analysis of dry coke aggregates not only leads to a better understanding of the deformation mechanisms of granular materials under compressive loading but also can also identify the potential causes of structural defects in carbon anodes, such as horizontal cracks. In this work, it will be shown that a particular failure mode can be responsible for the crack generation in the carbon anodes. The failure behavior of the coke aggregates is not only affected by the compaction process parameters, such as the confining pressure and axial strain rate, but it is also strongly dependent on the size distribution and shape of coke particles. The discrete element method (DEM) is employed to model the micro-mechanical behavior of the dry coke aggregates during the compaction process. In addition, the second-order work criterion is used to analyze the failure of the coke aggregate specimens. The results reveal that increasing the confining pressure enhances the probability of the diffusing mode of the failure in the specimen. On the other hand, the increase of the strain rate augments the chance of the strain localization mode of the failure in the specimen. In addition, the results indicate the fact that the use of fine particles as well as decreasing the sphericity of coke particles will increase the stability range of the coke aggregates. Moreover, by using the analysis of micro-strain contour evaluations during the compaction process, it is shown that, both by adding fine particles to the coke aggregates and by decreasing the sphericity of coke particles, the possibility of creating a compression band in the coke aggregates is reduced. Since the presence of the compaction bands in the anode paste creates an area that is prone to horizontal crack generation, the results of this study could lead to the production of carbon anode with fewer structural defects.

Le procédé de réduction électrolytique Hall-Héroult est utilisé pour la fabrication industrielle d’aluminium primaire. Ce procédé nécessite l’utilisation d'anodes de carbone. L’uniformité de la qualité de celles-ci est un paramètre très important pour assurer la stabilité et des performances optimales des cuves d’électrolyse. Malheureusement, les fabricants d'anodes sont actuellement confrontés à une augmentation de la variabilité des matières premières. Cette situation est due à une diminution de la disponibilité de matières premières de bonne qualité à faibles coûts. Pour compenser, les fabricants d'anodes doivent diversifier leur choix de fournisseurs, ce qui augmente la variabilité. Cependant, les usines ne sont pas préparées pour réagir à cette situation tout en maintenant une qualité d'anode stable. Cette situation est due, entre autres, à un manque de mesures quantitatives en temps réel de la qualité des anodes. Plusieurs exemples d’applications industrielles de vision numérique ont été présentés dans la littérature. Par conséquent, il existe une opportunité de développer un tel système pour obtenir une mesure non destructive et en temps réel de la qualité de la pâte d'anode. Le développement du capteur a été fait avec de la pâte et des anodes pressées à l'échelle laboratoire. Un ensemble de caractéristiques de texture d'images calculées à partir de la transformée en ondelettes discrète (DWT) et de matrices de cooccurrence de niveaux de gris (GLCM) ont été sélectionnées. Ces caractéristiques étaient sensibles aux variations dans la formulation et de la quantité de brai dans la pâte. Le capteur est aussi capable de détecter la quantité optimale de brai (OPD) pour différents cokes. Ensuite, la sensibilité et la robustesse du capteur ont été testées avec de la pâte industrielle. Finalement, les usines collectent déjà beaucoup de mesures de procédé en temps réel. Ces données peuvent être utilisées dans une stratégie de monitorage statistique pour détecter et investiguer des déviations de qualité. Une nouvelle méthode statistique multivariée par variables latentes PLS multi-blocs séquentiels (SMB-PLS) a été développée pour améliorer l'interprétation des données industrielles par rapport aux méthodes usuelles de PLS multi-blocs. Cette méthode a également été utilisée pour discuter de la pertinence d’utiliser les caractéristique d'image de la pâte à un modèle statistique pour la surveillance de la variabilité du procédé. / The Hall-Héroult electrolysis reduction process used for the industrial aluminium smelting relies on the consumption of carbon anodes. The quality and consistency of these anodes are very important for the stability and performance of the reduction cells. Unfortunately, the anode manufacturers currently face an increase in the raw material variability. This is due to the declining availability of high quality, low cost and consistent materials on the market forcing the anode manufacturers to diversify their suppliers. However, the anode plants are not prepared to compensate for this increase in variability and still maintain consistent anode quality. There is a lack of real-time quality monitoring and control of the baked anodes properties and the most important raw material and process parameters. Machine vision applications have been successful in many industrial applications. Therefore there is an opportunity to develop such a system to obtain a non destructive and online measurement of the anode paste quality. This sensor could then be used in a feedback/feedforward control strategy for attenuating the unmeasured raw material and process variations. The sensor development was performed using laboratory scale paste and pressed anodes. A set of image texture features computed from discrete wavelet transform (DWT) and gray level co-occurrence matrix (GLCM) methods were selected. These features could capture variations in formulation, pitch ratio in the paste and in pitch demand. The sensor was also found to be sensitive to the optimum pitch demand (OPD) of two different cokes. Then, the sensitivity and robustness of the sensor was tested using industrial paste. Finally, the anode plants already collect some real-time process measurement and off-line raw material and baked anode properties that can be used to monitor and troubleshoot process and quality deviations. A new sequential multi-block PLS (SMB-PLS) method was developed to improve the interpretation of complex industrial dataset compared to already available multi-block PLS methods. This method was also used to discuss the relevance of adding real-time paste image feature to a statistical model for monitoring of the process variability.

L’aluminium est produit industriellement grâce à l’électrolyse. Ce procédé a lieu dans une cuve d’électrolyse et il consiste à injecter un courant électrique pour transformer l’oxyde d’aluminium en aluminium métallique et en dioxyde de carbone. Les anodes permettent le passage du courant à travers la cuve et fournissent également le carbone nécessaire pour la réaction électrolytique. Un incident anodique se produit lorsqu’une déformation se développe sur la surface inférieure d’une anode ou lorsque l’anode est placée trop basse dans la cuve, ce qui cause un court-circuit partiel à la position de l’anode affectée. Les incidents anodiques ont un impact négatif sur l’efficacité du courant de la cuve. La détection et la correction hâtives des incidents anodiques sont donc avantageuses d’un point de vue économique. L’objectif de cette étude est de concevoir un système qui est capable de détecter les incidents anodiques en temps réel, et ce plus rapidement que la technique standard actuelle. Pour ce faire, l’Analyse en Composantes Principales a été utilisée pour entraîner des modèles prédictifs développés à partir des signaux individuels de courant d’anodes et du signal de voltage de la cuve, dans le but de classifier les anodes selon l’erreur de prédiction au carré et la statistique T2 de Hotelling. Cette stratégie semble permettre de détecter des incidents anodiques grâce aux signaux individuels de courant. Toutefois, ce n’est pas le cas avec le signal de voltage de la cuve. La surveillance de la moyenne ou l’écart-type des signaux de courant à haute fréquence à l’aide d’un modèle de régression logistique semble aussi faciliter la détection des incidents anodiques. / Aluminum metal is produced industrially in electrolysis cells, in which an electric current is used to transform aluminum oxide into metallic aluminum and carbon dioxide. Anodes are used to carry the current across the electrolysis cells and provide the carbon source necessary to drive the electrolytic reaction forward. Anodic incidents occur when an anode develops a spike or other deformation on its bottom surface or when the anode is set too low in the cell, causing the electrolysis cell to partially short circuit at the affected anode position. Anodic incidents have a deleterious effect on the cell’s current efficiency, making early detection and correction of anodic incidents economically advanta-geous. The objective of this study is to develop a real-time anodic incident detection system capableof identifying problematic anodes faster than the standard contemporary technique. Principal Component Analysis models were trained with individual anode current signals and cell voltage signals, and were subsequently used to classify anodes according to the squared prediction error and Hotelling’sT2 statistic. This strategy appears to enable anodic incident detection with individual anode current signals, but not with the cell voltage signal. Monitoring the signal mean and standard deviation of high-frequency anode current signals with a logistic regression model also appears to facilitate anod icincident detection.

La production d'aluminium par le procédé de Hall-Héroult est influencée, entre autres, par la variation des propriétés de l'anode précuite en carbone. Les propriétés de celles-ci sont plus difficiles à contrôler en raison de la dégradation de la qualité et l'augmentation de la variabilité des propriétés des particules de coke de pétrole utilisées pour fabriquer les anodes en carbone. Actuellement, les propriétés du coke sont mesurées en laboratoire, sur des petits échantillons et sur une base peu fréquente. D'où l'importance de développer une méthode rapide et non destructive qui pourra être intégrée à la chaîne de production d'anodes et qui mesurera en temps réel les propriétés des particules de coke permettant d’ajuster la formulation de la pâte d’anode, telles que la densité apparente et la porosité ouverte des particules de coke. Dans une étude précédente, un montage d'analyse acoustique a été conçu et testé pour estimer la densité et la porosité des particules de coke en utilisant la transformée de Fourier (FFT) pour la décomposition en fréquences des signaux sonores, couplée à des méthodes de régression multivariées pour l'estimation de modèles prédictifs. Cette étude vise à améliorer les résultats de prédiction par l’utilisation de la transformée en ondelettes continue (CWT) et à appliquer la méthode proposée à des mélanges de particules de coke ayant une plus grande plage de variations dans leurs propriétés. Cette méthode de décomposition temps-fréquence permet d’obtenir une signature acoustique plus spécifique des particules de coke de différentes tailles et provenant de plusieurs fournisseurs. Le potentiel de l’approche proposée semble très prometteur en raison de la bonne capacité prédictive de la densité apparente et de la porosité ouverte des particules obtenues jusqu’à présent, sur des échantillons non-mélangés et mélangés provenant de différentes fournisseurs et tamisés en plusieurs fractions de tailles granulométriques. / The production of primary aluminum using the Hall-Héroult process is influenced by the variations in pre-baked carbon anode properties. Controlling their quality is a challenge due to the raw material quality degradation and variability. Petroleum coke is one of the main raw materials used to produce the carbon anodes. Currently, coke properties are measured in laboratory by using small samples and on an infrequent basis. Therefore, it is important to develop a fast and non-destructive sensing method that can be integrated into the anode production line in order to measure in real time coke particle properties allowing to adjust the anode paste formulation, such as the apparent density and open porosity of the coke particles. In a previous study, an experimental set-up based on an acoustic analysis was developed and tested to estimate the density and the porosity of coke particles. Fourier Transform (FFT) was used for frequency decomposition of the acoustic signals, and multivariate regression methods to analyze the FFT signal features and predict coke properties. This study aims at improving the predictive performance of the model by using the Continuous Wavelet Transform (CWT) and apply the proposed technique to mixtures of coke particles having a wider range of properties. This time-frequency decomposition method allows capturing the acoustic signature of coke particles of different sizes obtained from several suppliers. So far, the approach shows promising results for predicting the apparent density and the open porosity of mixed and unmixed coke particles obtained from different suppliers and sieved into several size classes.

Les producteurs d'aluminium sont constamment confrontés à des défis concernant l'augmentation des coûts de production et notamment ceux liés au brai de goudron de houille. Le brai de goudron de houille est utilisé comme liant pour produire des anodes en carbone. Indépendamment des avantages techniques du brai de goudron de houille, il contient des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), connus pour être cancérigènes pour l'homme et nocifs pour l'environnement. De plus, l’augmentation phénoménale de la production d’aluminium des trente dernières années exerce une pression importante sur le marché du brai, causant une difficulté en l’approvisionnement de ce dernier. Pour surmonter ce défi, des sources de substitution au brai de goudron de houille capables de résoudre les problèmes de coût et de santé sans diminuer la qualité de l'anode sont donc d'un grand intérêt pour l’industrie. Le bio-brai produit à partir de bio-huile, pourrait être un bon candidat à cet égard. Cependant, les propriétés du bio-brai pourraient être significativement différentes de celles du brai de goudron de houille en fonction de ses origines et des conditions de son procédé. Cette étude se concentre sur la synthèse de bio-brai à partir de bio-huile dans différentes conditions de pyrolyse et la caractérisation de ses propriétés physiques et chimiques, dans le but de déterminer les conditions qui peuvent conduire à des propriétés appropriées pour la formulation d'anode. Nous avons d’abord synthétisé du bio-brai dans différentes conditions. Les bio-brais produits ont été soigneusement caractérisés afin de comprendre l’effet du procédé de fabrication sur leurs propriétés. Parmi les caractérisations typiques, on peut nommer l’analyse chimique et la détermination de la densité, du point de ramollissement, de la valeur de cokéfaction, de la teneur en insolubles de quinoléine (QI), de la teneur en HAP, de la masse moléculaire, de la viscosité, de la composition élémentaire, des structures chimiques ainsi que des mécanismes de réaction se produisant pendant le processus de pyrolyse. Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la caractérisation de l'interaction du bio-brai avec du coke afin de comprendre son comportement et son rôle, en tant que lien, lors de la fabrication d’anode. Les informations sur la capacité de mouillage du bio-brai à la surface de la particule de coke sont d'un grand intérêt pour évaluer son utilisation éventuelle en tant que liant dans la formulation d’anode. iv Nous avons montré que la mouillabilité du bio-brai est fortement influencée par sa viscosité, sa tension superficielle, ses groupes chimiques fonctionnels de surface, sa quantité de QI et sa distribution de masse moléculaire. La bonne mouillabilité du bio-brai améliore la densification de l'anode et atténue ainsi l'effet négatif de sa faible valeur de cokéfaction sur la densité de l'anode cuite. Afin d'optimiser les propriétés du bio-brai, l'étude visant à ajuster la teneur en QI a également été effectuée afin d'améliorer ainsi sa valeur de cokéfaction en ajoutant différentes quantités d'additif (bio-char). / Aluminium producers are constantly facing challenges regarding the increase in production costs including those related to coal-tar-pitch (CTP). CTP, a fossil material with carbon footprint, is used as binder to produce carbon anodes. Regardless of the technical benefits of CTP, it contains polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), known to be carcinogenic for humans and detrimental to the environment. Furthermore, the escalating production capacity of aluminium during the past 3 decades exerts a considerable pressure on the pitch supply chain. To overcome this challenge, alternative sources to CTP capable of addressing the health issues and zero carbon footprint without decreasing anode quality, are thus of great interest. Bio-pitch, produced from bio-oil, could be a good candidate in this regard. However, the properties of bio-pitch could be significantly different from those of CTP depending on its origins and process conditions. This study focuses on the synthesis of bio-pitches from bio-oil under different pyrolysis conditions and characterization of its physical and chemical properties, aiming at determining the conditions which may result in suitable properties for anode formulation. We first synthesized biopitch from bio-oil under different conditions. The resulting biopitches were deeply characterized in order to understand the effect of process parameters on their properties. Among these typical characterizations are determination of density, softening point, coking value, quinoline insoluble, PAH content, molecular weight, viscosity, elemental composition, chemical structures as well as the reaction mechanisms occurring during the pyrolysis process. Then we focused on characterisation of biopitch interaction with coke in order to assess its behaviour and its role, as a binder, in anode formulation. Information on the wetting capacity of bio-pitch on the surface of coke particle is also of great interest in assessing its possible use as a renewable and environmental-friendly binder. It was shown that the wettability of bio-pitch is greatly influenced by its viscosity, surface tension, surface chemical functional groups, amount of quinoline insoluble, and molecular weight distribution. The good wettability of bio-pitch enhances the anode densification, thus mitigates the negative effect of its low coking value on the baked anode density. In order to improve the bio-pitch properties, the investigation to increase the QI content thereby to vi improve its coking value by adding different amounts of solid bio-char as an additive were also studied