Dans le domaine aéronautique, l'optimisation du rendement énergétique global, la réduction des masses embarquées et la nécessité de répondre aux besoins énergétiques croissants conduisent à développer de nouvelles technologies et méthodes pour générer l'énergie électrique à bord, pour la distribuer, la convertir et la stocker. Dans cette thèse, des éléments de stockage de l'énergie électrique sont caractérisés dans l'optique d'être modélisés. Parmi les différents systèmes de stockage, présentés dans un état de l'art préliminaire, sont retenus les supercondensateurs et les accumulateurs électrochimiques Lithium-ion polymère, considérés respectivement comme des sources de puissance et d'énergie, à l'échelle de l'application. Ces moyens de stockage sont caractérisés par chronopotentiométrie à courant constant et par spectrométrie d'impédance électrochimique. Les essais sont éffectués dans des conditions expérimentales, définissant le domaine de validités des modèles, en cohérence avec les contraintes de l'application finale. Différents modèles sont alors développés en fonction de leur utilisation : des modèles simples, fonctionnels et suffisants pour la gestion globale d'énergie et des modèles dynamiques, comportementaux et nécessaires pour l'analyse de la qualité du réseau. Ils sont ensuite validés sur des profils de mission. Pour disposer d'un système de stockage performant et en adéquation avec les besoins énergétiques de l'aéronef, une méthode de dimensionnement est proposée, associant des composants de stockage complémentaires. Un gestion fréquentielle des sources est mise en oeuvre de manière à minimiser la masse du système de stockage.

Ces travaux ont permis d'approfondir les connaissances du mécanisme de déchargepeu conventionnel de l'accumulateur Li/S et de ses limitations. L'ensemble desrésultats a convergé vers une unique conclusion, à savoir que le système Li/S estprincipalement limité par le phénomène de passivation de l'électrode positive en finde décharge. Les polysulfures de lithium à chaines courtes précipitent à la surface del'électrode positive de soufre. Isolants électroniques, ils sont responsables de la perteprogressive de surface active de l'électrode et de la fin prématurée de la décharge.Ainsi, les performances électrochimiques ont pu être significativement améliorées entravaillant sur la morphologie de l'électrode positive, et sur la composition del'électrolyte. En augmentant la surface spécifique de l'électrode, la quantité depolysulfures de lithium qui peut précipiter en fin de décharge est augmentée, et lapassivation totale de l'électrode est retardée. En augmentant la solubilité despolysulfures de lithium dans l'électrolyte, la précipitation des espèces est retardée etla décharge prolongée. Dans cette optique, les solvants de type PEGDME semblentêtre les plus prometteurs à ce jour. Enfin, un mécanisme possible de réduction dusoufre en électrolyte de type éther a pu être proposé.

Les objectifs de ce travail de thèse étaient d’explorer de nouvelles voies pour l’amélioration des performances des accumulateurs Li/S, systèmes présentant de fortes densités d’énergie théorique dont les performances sont limitées par un mécanisme électrochimique incluant des intermédiaires solubles et réactifs. Ces intermédiaires induisent une faible efficacité coulombique et une perte importante de capacité au cours du cyclage. Plusieurs stratégies ont été mises en place pour créer une barrière de nature organique, au transport ou à la réactivité de ces polysulfures, tout en gardant une approche versatile et simple à mettre en œuvre. De bons résultats ont été obtenus en termes d’efficacité coulombique et de cyclabilité, notamment grâce à l’utilisation d’un matériau polymère capable d’interactions ioniques avec les intermédiaires soufrés. Le mécanisme de dépôt du lithium et de croissance dendritique a été également étudié, pour une compréhension plus complète du système. / The objectives of this thesis work were to explore new strategies to improve the performance of Li / S accumulators, systems exhibit with high theoretical energy densities whose performance is limited by an electrochemical mechanism including soluble and reactive intermediates. These intermediates induce a low coulombic efficiency and a significant loss of capacity during cycling. Several strategies have been evaluated to create a barrier of organic nature, which mitigate the transport or the reactivity of these polysulfides. The solutions explored are versatile and simple to implement. Good results have been obtained in terms of coulombic efficiency and cyclability, in particular through the use of a polymeric material enables to form ionic interactions with the sulfur intermediates. The mechanism of lithium deposition and dendritic growth has also been studied, for a more complete understanding of the system.

Le facteur clé limitant le déploiement des accumulateurs au lithium métal est dû à la formation de dendrites de lithium métallique à l'anode au cours de la recharge. Une solution consiste à employer un électrolyte solide polymère. Un copolymère à blocs est composé d'un ou plusieurs blocs conducteurs à base de POE (poly(oxyde d'éthylène)), linéaire ou branchée, dopés en sel de lithium (LiTFSI) et de blocs de renforts mécaniques qui idéalement mitigent la croissance dendritique. Ces matériaux ont la particularité de s'auto-assembler en domaines nanométriques. Les interfaces entre les domaines génèrent de bonnes propriétés mécaniques à l'échelle macroscopique tandis que localement la dynamique des chaînes POE demeure élevée, assurant la conduction ionique.Ce travail de thèse porte sur les caractérisations physico-chimiques d'électrolytes copolymères, selon différentes architectures (diblocs, triblocs et étoilées) et de l'optimisation de leurs compositions. Une étude fondamentale des polymères dopés en sel a mis en évidence les principaux mécanismes de transport ionique, ainsi que l'impact des groupes terminaux à faible masse molaire sur la conductivité et la viscosité. Cette étape a permis de sélectionner les meilleurs candidats. L'étude de la stabilité des électrolytes vis-à-vis du lithium a été menée. Après avoir formulé des cathodes, des batteries plastiques ont été assemblées et testées avec succès par cyclages galvanostatiques, en température [40°C-100°C] et à des régimes élevés. Enfin, un prototype de 6 mAh a réalisé plus de 400 cycles à des régimes C/4 et D/2 à 100°C. / The key limiting factor for the deployment of Lithium metal batteries is the formation of lithium dendrites at the anode during recharge. One solution consists in the use of a solid polymer electrolyte. A bloc copolymer is composed of one or several conductive blocks based on PEO (poly(ethylene oxide)), linear or branched, doped with a lithium salt (LiTFSI) and reinforced blocks that ideally mitigate the dendritic growth. These materials can self-organize in nanometric domains. The interfaces between the domains generate sufficient mechanical properties at the macroscopic level whilst, locally, the PEO chain dynamics remain high, ensuring ionic conduction.This thesis deals with physico-chemical characterizations of these copolymer electrolytes, with different architectures (diblock, triblock and star shaped), and the optimization of their composition. A fundamental study of doped polymers highlighted the main mechanisms of ionic transport and the impact of the end groups at low molar mass on conductivity and viscosity. This step enabled a selection of the best candidates to be made. A study of the electrolyte stability with respect to lithium was carried out. After the formulation of cathodes, plastic batteries were assembled and successfully tested by galvanostatic cycling under temperature [40°C-100°C] and high regime. Finally, a 6 mAh prototype realised more than 400 cycles under the regime C/4 and D/2 at 100°C.

Ces travaux ont permis d’approfondir les connaissances du mécanisme de déchargepeu conventionnel de l’accumulateur Li/S et de ses limitations. L’ensemble desrésultats a convergé vers une unique conclusion, à savoir que le système Li/S estprincipalement limité par le phénomène de passivation de l’électrode positive en finde décharge. Les polysulfures de lithium à chaines courtes précipitent à la surface del’électrode positive de soufre. Isolants électroniques, ils sont responsables de la perteprogressive de surface active de l’électrode et de la fin prématurée de la décharge.Ainsi, les performances électrochimiques ont pu être significativement améliorées entravaillant sur la morphologie de l’électrode positive, et sur la composition del’électrolyte. En augmentant la surface spécifique de l’électrode, la quantité depolysulfures de lithium qui peut précipiter en fin de décharge est augmentée, et lapassivation totale de l’électrode est retardée. En augmentant la solubilité despolysulfures de lithium dans l’électrolyte, la précipitation des espèces est retardée etla décharge prolongée. Dans cette optique, les solvants de type PEGDME semblentêtre les plus prometteurs à ce jour. Enfin, un mécanisme possible de réduction dusoufre en électrolyte de type éther a pu être proposé. / This work aimed at better understanding the Li/S cell discharge mechanism and itslimiting parameters. A general conclusion was following from these data: the Li/Ssystem is mainly limited by the passivation process of the sulfur positive electrode,occurring at the end of discharge. Insulating lithium polysulfides precipitate on thepositive electrode surface, thus leading to a gradual loss of the electrode activesurface and to the early end of discharge. As a consequence, the electrochemicalperformances can be significantly improved by working either on the positiveelectrode morphology or on the organic electrolyte composition. Increasing thespecific surface of the positive electrode enables to increase the amount ofpolysulfide compounds that can precipitate on the electrode, thus delaying the fullpassivation of the sulfur electrode and the end of discharge. Working on the organicelectrolyte composition enables to increase the polysulfide solubility and to preventthem from quickly precipitating, thus delaying the end of discharge too. To thispurpose, PEGDME solvents seem to be quite promising. Finally, a possiblemechanism for sulfur reduction in ether-based electrolytes could be proposed.

Dans le domaine aéronautique, l'optimisation du rendement énergétique global, la réduction des masses embarquées et la nécessité de répondre aux besoins énergétiques croissants conduisent à développer de nouvelles technologies et méthodes pour générer l'énergie électrique à bord, pour la distribuer, la convertir et la stocker. Dans cette thèse, des éléments de stockage de l'énergie électrique sont caractérisés dans l'optique d'être modélisés. Parmi les différents systèmes de stockage, présentés dans un état de l'art préliminaire, sont retenus les supercondensateurs et les accumulateurs électrochimiques Lithium-ion polymère, considérés respectivement comme des sources de puissance et d'énergie, à l'échelle de l'application. Ces moyens de stockage sont caractérisés par chronopotentiométrie à courant constant et par spectrométrie d'impédance électrochimique. Les essais sont éffectués dans des conditions expérimentales, définissant le domaine de validités des modèles, en cohérence avec les contraintes de l'application finale. Différents modèles sont alors développés en fonction de leur utilisation : des modèles simples, fonctionnels et suffisants pour la gestion globale d'énergie et des modèles dynamiques, comportementaux et nécessaires pour l'analyse de la qualité du réseau. Ils sont ensuite validés sur des profils de mission. Pour disposer d'un système de stockage performant et en adéquation avec les besoins énergétiques de l'aéronef, une méthode de dimensionnement est proposée, associant des composants de stockage complémentaires. Un gestion fréquentielle des sources est mise en oeuvre de manière à minimiser la masse du système de stockage. / In aeronautics, the optimization of the global energetic efficiency, the reduction of the embedded weight and the need to meet the growing energetic requirements lead to develop new technologies and methods to generate electrical energy, to distribute it, to convert it and to store it aboard. In this thesis, electrical energy storage systems are characterized with a view to be modeled. Among varied storage systems, presented in an introductory state of the art, ultracapacitors and Lithium-ion polymer secondary batteries are studied. These components are considered respectively as power and energy sources, in regards to the application scale. These storage systems are characterized by chronopotentiometry at constant current and by electrochemical impedance spectrometry. Tests are carried out in experimental conditions which define the validity area of modeling, in relation with the application constraints. Different models are developed according to their future use : simple models, which are functional and sufficient for the global energy management, and dynamics models, which are behavioral and necessary for the analysis of the network quality. Then, they validated thanks to mission profiles. Finally, to dispose of an efficient storage system that meets the energetic requirements of the aircraft, a sizing method is suggested by combining complementary storage systems. An energy management based on frequency approach is implemented in order to minimize the storage system weight.

Dans le cadre du transport de marchandises par voie ferroviaire, un certain nombre de verrous limitent les efforts consentis pour un fret plus "propre". Des améliorations doivent être faites afin de limiter le nombre de locotracteurs assurant les charges/décharges de marchandises en bout de ligne. Dans cette perspective, FEMTO-ST et Alstom Transport ont pour objectif de concevoir et développer un système de gestion d'énergie pour locomotive électrique hybride. Composée d'un groupe électrogène couplé à des accumulateurs électrochimiques et des super-condensateurs, la locomotive électrique hybride permet d'accroître la souplesse et l'efficacité du transport ferroviaire électrique, tout en réduisant encore son impact environnemental. Cette étude a consisté dans un premier temps à développer une modélisation macroscopique de la chaîne de traction électrique hybride et à proposer une structuration de la commande avec l'identification des capteurs matériels et logiciels nécessaires au contrôle optimal de la chaîne de traction. La caractérisation expérimentale des moyens de stockage a permis l'amélioration comportementale et dynamique des modèles correspondant. Dans un second temps, le contrôle de la tension de sortie d'un hacheur dévolteur a permis d'étudier l'application de la logique floue de type-2 (intervalle et générale) dans le cas d'applications industrielles (relativement simples). Enfin, une gestion innovante des flux d'énergie au sein d'un système plus complexe: locomotive électrique hybride, a été développée. Mettant en œuvre la logique floue de type-2 et des algorithmes s'inspirant de la théorie de l'évolution, cette gestion d'énergie optimale opère en temps réel et sans connaissance à priori du cycle de conduite. La gestion fréquentielle ainsi que le contrôle des états de charge des sources secondaires du véhicule contribuent également à leur bon fonctionnement. / To achieve a "greener" freight transport, efforts are still needed to overcome some technological barriers. New improvements must be carried at to limit the shunting locomotives' use intended for the goods' load/unload. Considering this aim, FEMTO-ST and Alstom Transport decided to conceive and develop an energy management strategy system for hybrid electric locomotives. Such locomotives include a diesel driven generator set which is coupled with batteries and ultra-capacitors. The architecture aims at improving the flexibility, the effectiveness of the electrical railway transport and at reducing the environmental impact of these activities again. Firstly, the study consists in implementing a macroscopic modelling of the hybrid electric powertrain. Then, the control is optimally designed by identifying the hardware and software sensors of the powertrain. The dynamics and the behavior of the secondary sources' models are improved thanks to their experimental characterizations. Secondly, the use of Type-2 Fuzzy Logic (interval and general) controllers permits to study their efficiency in the control of a very simple industrial system: the output voltage of a buck converter. Lastly, based on the obtained results, an innovative management of the system's energy flows is developed in the case of the hybrid electrical locomotive. The use of the type-2 fuzzy logic and evolutionary algorithms permit to optimally perform a real time energy management strategy without a priori knowledge of the duty cycle. The frequency approach and the secondary sources' state of charge control contribute to their efficient use.