Les limites des ressources d’énergies fossiles et la perspective imminente du changement climatique ont mené les pays de l’Union Européenne à engager une restructuration du secteur électrique vers un approvisionnement en énergie fiable, économique et durable. Dans cette optique de transition énergétique, les systèmes de stockage d’énergie peuvent faciliter l’intégration des énergies renouvelables dans les réseaux électriques. Ils permettent de stocker l’énergie produite par les sources renouvelables pour décaler sa fourniture aux réseaux électriques et compenser les fluctuations aléatoires de la puissance. Par ce lissage de la production des sources intermittentes, les systèmes de stockage transforment ces dernières en centrales mieux contrôlables et plus prévisibles ce qui leur permet de participer aux marchés d’électricité et aux services systèmes.Afin de garantir le respect des plans de production et des engagements pris envers le gestionnaire du réseau, les centrales de production renouvelables équipées d’un système de stockage ont recours à un système de gestion d’énergie. Alors que le contrôle rapproché assure le respect de la consigne instantanée de production, la gestion d’énergie utilise des méthodes d’optimisation sous contraintes issues de la recherche opérationnelle pour planifier le fonctionnement des systèmes de stockage. Le plus souvent, un arbitrage est nécessaire entre les exigences du fonctionnement et la complexité du modèle utilisé. Les modèles de batterie, qui présentent un comportement non-linéaire, doivent être simplifiés en vue de les intégrer dans les algorithmes d’optimisation les plus courants. De plus, les modèles précis et particulièrement ceux qui sont basés sur une modélisation physico-chimique de la batterie exigent des tests de caractérisation chronophages réalisés dans des conditions contrôlées. Finalement, le comportement électrique de la batterie évolue avec son âge ce qui impose un recalage périodique du modèle en fonction du temps.Cette thèse présente une méthodologie d’identification de modèles de batterie en cours de fonctionnement et d’utilisation de ces modèles adaptatifs dans la gestion optimale d’une centrale de production électrique avec stockage. Après un rappel des modèles de batteries, des méthodes d’identification en temps réel issues de la théorie du contrôle sont développées dans le cas d’un modèle des circuits électriques équivalents. L’extraction d’un modèle simplifié pour la gestion d’énergie est décrite et juxtaposée à une analyse de régression directe des données de fonctionnement. Les méthodes d’identification sont testées pour un système de stockage réel de taille industrielle, associé à une centrale photovoltaïque installée sur l’île de La Réunion. L’identification du modèle dans le cadre d’une étude de vieillissement préalablement effectuée au sein du CEA, met en évidence le suivi de l’état de santé de la batterie.En vue de l’intégration des modèles adaptatifs dans la gestion, la formulation des problèmes d’optimisation rencontrés dans la planification d'une centrale photovoltaïque associée à un système de stockage est développée. Des implémentations en programmation linéaire-mixte et en programmation dynamique sont réalisées dans des cas d’études basés sur la participation aux marchés d’électricité ou dans le cadre d’une tarification réglementée, ainsi que la participation aux services système. Afin d’évaluer les performances de ces solutions, une architecture de contrôle pour la centrale est détaillée, et le fonctionnement de la centrale est simulé. Plusieurs configurations du système de gestion sont testées, y compris l’utilisation de modèles fixes ou variables ainsi que la prise en compte ou non du vieillissement de la batterie. Une analyse statistique des résultats obtenus pour différents cas de production photovoltaïque et d’erreurs de prévision montre que l’utilisation des modèles variables présente des avantages. / Limited fossil energy resources and the prospect of impending climate change have led the European Union to engage in a restructuring of the electricity sector towards a sustainable, economical and reliable power supply. Energy storage systems have the potential of an enabling technology for the integration of renewable energy sources, which underlies this transition. They allow the delivery of energy produced by a local source to the electric grid to be shifted in time and can compensate random fluctuations in power output. Through such smoothing and levelling, energy storage systems can make the production of variable renewable sources predictable and amenable to control.In order to observe scheduled production and their commitments toward the grid operator, renewable power plants equipped with storage systems make use of an energy management system. While direct control ensures tracking of the current production setpoint, energy management employs constrained optimization methods from operations research to organize the usage of the storage systems. The complexity of the storage system model used in optimization must frequently be adapted to the specific application. Batteries show non-linear state-dependent behavior. Their model must be simplified for use in the most common optimization algorithms. Moreover, precise battery models based on physical modelling require time-consuming controlled testing for parameterization. Lastly, the electrical behavior of a battery evolves with aging which calls for regular recalibration of the model.This thesis presents a methodology for on-line battery model identification and the use of such adaptive models in optimal management of an electrical plant with energy storage. After a summary of battery models, observer methods for on-line identification based on control theory are developed for the case of an equivalent circuit model. The extraction of a simplified model for energy management is described and compared to direct regression analysis of the operational data. The identification methods are tested for a real industrial-sized storage system operated in a photovoltaic power plant on the island of La Réunion. Model identification applied to data from an earlier battery aging study shows the use of the method for tracking the state-of-health.The formulation of optimization problems encountered in the production scheduling of a photovoltaic power plant with energy storage is developed incorporating the adaptive battery models. Mixed-integer linear programming and dynamic programming implementations are used in case studies based on market integration of the plant or regulated feed-in tariffs. A simulation model based on the outline of the plant control architecture is used to simulate the operation and evaluate the solutions. Different configurations of the management system are tested, including static and variable battery models and the integration of battery aging. A statistical analysis of the results obtained for multiple cases of photovoltaic production and forecast error shows the advantage of using variable battery models in the study case.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation d’une batterie redox-flow fonctionnant grâce à la circulation de suspensions de matériaux d’insertion du lithium afin d’accroitre leur densité d’énergie. Le recours à des cellules microfluidiques permet de s’affranchir des limitations causées par les membranes échangeuses d’ions. Il s’articule dans un premier temps sur la synthèse contrôlée par voie hydrothermale de nanoparticules de LiCoO2 et leur caractérisation en suspension aqueuses. Cette étape permet de déterminer à la fois les propriétés électrochimiques des suspensions, leur état d’agrégation ainsi que leur comportement rhéologique en vue d’une utilisation redox-flow. Le transfert électronique entre une particule en suspension et les électrodes de la cellule est un aspect fondamental de ce type de batteries. Ce transfert est étudié grâce la technique de collision électrochimique dans laquelle la réponse de chaque agrégat est détecté individuellement par une ultramicroélectrode ce qui permet d’établir de nombreuses propriétés physique-chimiques de ces suspensions. Ce travail propose ensuite de s’affranchir de l’utilisation des membranes et de leurs limitations par le recours aux techniques de la microfluidique. La formation d’un écoulement co-laminaire en microcanal permet d’obtenir une cellule redox-flow opérationnelle. La conception et le fonctionnement de ces cellules est étudié en vue de la mise en circulation de suspensions de nanoparticules dans ce type de systèmes. / The aim of this work is to make a redox-flow battery that runs on lithium insertion material suspensions in order to increase the energy density of such systems. The use of microfluidic technics allows to solve the issues and limitations of ion exchange membrane by removing them. In the first part controlled size LiCoO2 nanoparticles are synthesized by hydrothermal route and dispersed into suspensions. The aggregation state of these suspensions are investigated using diffusion light scattering and transmission electronic cryoscopy. Rheological properties were also characterized for redox-flow use. The electronic transfer between a particle in suspension and the flow cell electrodes is crucial for their performances. This transfer is studied in the second part using the single event collision technic which consist of isolating individual aggregate electrochemical response at the surface of an ultramicroelectrode. This approach allows an extensive investigation of suspensions aggregates size, mobility and insertion reaction kinetic. Finally this works propose to replace the conventional ion exchange membrane by the mean of microfluidic technics. In co-laminar condition the fluid interface acts as a separation membrane to create a membrane-less redox-flow battery. The last part focuses on the fabrication of microfluidic cells and the behavior of suspensions in micro-channels.

The batteries used in plug-in hybrid electric vehicles (PHEVs) need to overcome significant technical challenges in order for PHEVs to become economically viable and have a large market penetration. The internship at Argonne National Laboratory (ANL) involved two experiments which looked at a vehicle systems approach to analyze two such technical challenges: Battery life and low battery power at cold (-7 ⁰C) temperature. The first experiment, concerning battery life and its impact on gasoline savings due to a PHEV, evaluates different vehicle control strategies over a pre-defined vehicle drive cycle, in order to identify the control strategy which yields the maximum dollar savings (operating cost) over the life of the vehicle, when compared to a charge sustaining hybrid. Battery life degradation over the life of the vehicle, and fuel economy savings on every trip (daily) are taken into account when calculating the net present value of the gasoline dollars saved. The second experiment evaluates the impact of different vehicle control strategies in heating up the PHEV battery (due to internal ohmic losses) for cold ambient conditions. The impact of low battery power (available to the vehicle powertrain) due to low battery and ambient temperatures has been well documented in literature. The trade-off between the benefits of heating up the battery versus heating up the internal combustion engine are evaluated, using different control strategies, and the control strategy, which provided optimum temperature rise of each component, is identified.

Au vu d’une demande croissante pour un stockage d’énergie à grande échelle, il est préférable de se tourner vers des matériaux peu coûteux et répandus. De ce point de vue, le sodium, qui présente des caractéristiques très proches de celles du lithium, présente également l’avantage d’être peu coûteux, abondant et réparti uniformément dans le monde. Cette thèse porte sur l’étude d’un système complet Na-ion constitué d’un carbone dur à l’électrode négative et d’un oxyde lamellaire à l’électrode positive. Un volet sur l’électrolyte a également été abordé.Concernant l’électrode négative, l’influence de la température de pyrolyse de la cellulose sur la structure des carbones durs et sur les performances électrochimiques a été étudiée. Une graphitisation localisée, une fermeture des pores et une évolution de la porosité interne avec la température de pyrolyse ont pu être observées. Les meilleures performances électrochimiques ont été obtenues pour le matériau synthétisé à 1600 °C : une capacité réversible d’environ 300 mAh.g-1 stable sur 200 cycles est atteinte à 37,2 mA.g-1 avec une efficacité coulombique initiale de 84 %. Pour mieux comprendre les mécanismes d’insertion du sodium dans ces matériaux, des études par spectroscopie d’impédance, SAXS et EDX ont été réalisées sur des carbones durs cyclés à différents potentiels.Le matériau d’électrode positive choisi est l’oxyde lamellaire Na0,6Ni0,25Mn0,75O2. L’influence de la température de calcination a permis de faire varier le nombre de défauts d’empilement de type P3 au profit d’une phase P2 plus cristalline. Après avoir optimisé l’électrolyte à base de carbonates pour garantir la reproductibilité des tests oxyde lamellaire//sodium métal, une capacité d’oxydation de 130 mAh.g-1 a pu être atteinte au premier cycle avant de chuter fortement sur les 40 cycles suivants. Cette perte de capacité a pu être en partie expliquée par des études de DRX operando. Enfin, ces travaux ont permis d’aboutir à des systèmes complets Na-ion dont les premiers résultats sont prometteurs. / Because of the development of renewable energy and electric vehicles, the need for a large scale energy storage has increased. This type of storage requires a large amount of raw materials. Therefore low cost and abundant resources are necessary. Consequently the use of sodium batteries is of interest because sodium’s low cost, high abundance, and worldwide availability. This PhD thesis deals with the study of a full Na-ion cell containing a hard carbon negative electrode, and a layered oxide positive electrode. A shorter part concerns the electrolyte.Concerning the negative electrode, the first objective was to understand in detail the influence of the pyrolysis temperature of a hard carbon precursor, cellulose, on the final structure of the material and its consequences on the electrochemical performance. Many techniques were used to characterize the hard carbon structure as a function of the pyrolysis temperature. Localized graphitization, pore closure, and an increase in micropore size have been observed with increasing temperature. The best electrochemical performance has been reached with the hard carbon synthesized at 1600°C: a reversible capacity of around 300 mAh.g-1 stable over 200 cycles is obtained at 37.2 mA.g-1 with an initial coulombic efficiency of 84%. To deeper understand sodium insertion mechanisms in hard carbon structures impedance spectroscopy, SAXS and EDX were carried out on hard carbon electrodes cycled at different voltages.The layered oxide Na0.6Ni0.25Mn0.75O2 was investigated as the positive electrode. It was observed that with increasing calcination temperature the number of P3-type stacking faults decreases in favor of a more crystalline P2 phase. Then, the carbonate-based electrolyte has been optimized to guarantee the reproducibility of the electrochemical tests performed in a layered oxide//sodium metal configuration. A first oxidation capacity of around 130 mAh.g-1 is reached. However this value drops quickly after 40 cycles. Operando XRD analysis did partially explain the capacity decrease. Finally, the results of these investigations were used to design an optimized full cell which demonstrated promising performance during initial testing.

Titanium dioxide, TiO₂, materials have received much attention in recent years due to their potential use as intercalation negative electrodes for rechargeable lithium-ion batteries. The aim of this doctoral work was to synthesise and characterise new titanium dioxide nanomaterials and to investigate their electrochemical behaviour. Three morphologies of TiO₂(B) phase: micro-sized (bulk), nanowires and nanotubes, were synthesised. All three exhibit properties which make them excellent hosts for lithium intercalation. The nanotubes show the best capability of accommodating lithium in the structure, being able to host over one molar equivalent of lithium at low current rates (5 mA g⁻¹). The lithium insertion mechanism in the TiO₂(B) was studied using powder neutron diffraction. In addition, the nature of the irreversible capacity of the nanotubes was studied and ways of reducing it proposed. Nanotubes of another titanium dioxide polymorph, anatase, were synthesised and characterised. Their electrochemical performance was compared with that of commercially available counterparts with different morphologies and particle sizes. The interrelation between particle size/morphology and electrochemical properties has been established. The insertion of lithium which leads to phase variations was studied using in situ Raman microscopy and neutron powder diffraction. It has been demonstrated that doping of the TiO₂(B) nanotubes with vanadium improves their electronic conductivity which is essential for practical applications. Remarkably good electrochemical performance is exhibited by the 6% V-doped TiO₂(B) nanotubes.

L’objectif du travail décrit dans cette thèse est de développer des batteries Li-ion peu coûteuses, respectueuses de l’environnement, facilement industrialisables et recyclables, tout en utilisant des fibres cellulosiques et un procédé en milieu aqueux. Deux approches ont été adoptées pendant ce travail expérimental. Dans un premier temps, les microfibrilles de cellulose ont été utilisées pour la production d’anodes par un procédé de casting. Puis, une approche papetière a été adoptée. La plupart des travaux expérimentaux se sont focalisés sur l’utilisation de fibres de cellulose pour la production d’électrodes papier (anodes et cathodes) et de séparateurs-papier par procédé de filtration en milieu aqueux pour obtenir des cellules complètes à base de cellulose. Les électrodes obtenues sont homogènes, souples et leurs propriétés électrochimiques comparables à celles d’électrodes de références utilisant un polymère de synthèse comme liant. / This work investigates the production of low cost, low environmental impact, easily up-scalable and recyclable cellulose-based Li-ion batteries. Two main research approaches were explored. At first, microfibrillated cellulose was used for the production of paper-like anodes by means of a water-based casting process.Then, a papermaking approach was adopted and the majority of the experimental work was focused on the use of cellulose fibers for the production of paper-electrodes (i.e. anodes and cathodes) and paper-separators by means of a water-based filtration process.The prepared electrodes are easy to handle and self-standing with good electrochemical characteristics, comparable with that of standard synthetic polymer-bonded electrodes.

Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude de cathodes performantes pour batteries lithium/air. Les performances de ce type de batteries sont principalement limitées par les phénomènes de diffusion d’oxygène dans la cathode et l’électrolyte ainsi que par la formation d’oxydes de lithium bouchant progressivement les pores de la cathode. Ainsi on ne peut envisager le développement de l’électrode à air sans prendre en compte l’influence de l’électrolyte organique et celui-ci a également était considéré dans cette étude. La porosité de l’électrode et la nature du catalyseur employé joue un grand rôle sur les performances de l’électrode. Les électrodes à base de tissus de carbone et contenant des nanofils de α-MnO2 ont fourni les meilleurs résultats au regard de la capacité et de la tenue au cyclage. Par ailleurs, des mesures de spectroscopie de masse in situ ont permis d’analyser la formation des produits gazeux lors de la charge. Le TEGDME est un électrolyte prometteur; néanmoins, la formation de dioxyde de carbone (CO2) est détectée dès 3,7 V vs. Li/Li+. / In this thesis, high-performance cathodes for lithium/air batteries have been investigated. The main limitations for lithium/air batteries are oxygen diffusion into the cathode and in the electrolyte and the progressive clogging of cathode pores by lithium oxide. The development of the air cathode is strongly dependant on the organic electrolyte used, thus the nature of the electrolyte has been here considered. Electrode porosity and the kind of catalyst employed influence the cathode performance. Promising results were obtained with carbon cloth based electrodes containing α-MnO2 nanotubes as catalyst with regards to capacity and cycle stability. Furthermore, formation of gaseous products during charging has been studied thanks to mass spectroscopy experiments. TEGDME is a promising electrolyte; nevertheless, carbon dioxide (CO2) has been detected up to 3.7 V vs. Li/Li+.

Le besoin croissant de batteries à ions lithium dans notre société exige le développement de matériaux d'électrode positive, avec des exigences spécifiques en termes de densité énergétique, de coût et de durabilité. Dans ce but, nous avons exploré quatre composés à base de sulfate: un fluorosulfate - LiCuSO4F et une famille d'oxysulfates - Fe2O(SO4)2, Li2Cu2O(SO4)2 and Li2VO(SO4)2. Leur synthèse, structure et performances électrochimiques sont présentées pour la première fois. Étant électrochimiquement inactif, LiCuSO4F présente une structure triplite ordonnée qui est distincte des autres fluorosulfates. L'activité électrochimique des composés oxysulfate a été explorée face au lithium. Plus spécifiquement, Fe2O(SO4)2 délivre une capacité réversible d'environ 125 mA∙h/g à 3.0 V par rapport à Li+/Li0; Li2VO(SO4)2 et Li2Cu2O(SO4)2 présentent respectivement les potentiels les plus élevés de 4.7 V vs. Li+/Li0 parmi les composés à base de V et de Cu. Enfin, la phase Li2Cu2O(SO4)2 révèle la possibilité d'une activité électrochimique anionique dans une électrode positive polyanionique. Leurs propriétés physiques, telles que les conductivités ioniques et les propriétés magnétiques, sont également rapportées. Dans l'ensemble, les oxysulfates sont intéressants à étudier en tant qu'électrodes positives polyanioniques pour les batteries à ions lithium. / The increasing demand of our society for Li-ion batteries calls for the development of positive electrode materials, with specific requirements in terms of energy density, cost, and sustainability. In such a context, we explored four sulfate based compounds: a fluorosulfate – LiCuSO4F, and a family of oxysulfates – Fe2O(SO4)2, Li2Cu2O(SO4)2 and Li2VO(SO4)2. Herein their synthesis, structure, and electrochemical performances are presented for the first time. Being electrochemically inactive, LiCuSO4F displays an ordered triplite structure which is distinct from other fluorosulfates. The electrochemical activity of the oxysulfate compounds was explored towards lithium. Specifically, Fe2O(SO4)2 delivers a sustained reversible capacity of about 125 mA∙h/g at 3.0 V vs. Li+/Li0; Li2VO(SO4)2 and Li2Cu2O(SO4)2 respectively exhibit the highest potential of 4.7 V vs. Li+/Li0 among V- and Cu- based compounds. Last but not least, the Li2Cu2O(SO4)2 phase reveals the possibility of anionic electrochemical activity in a polyanionic positive electrode. Their physical properties, such as ionic conductivities and magnetic properties are also reported. Overall, this makes oxysulfates interesting to study as polyanionic positive electrodes for Li-ion batteries.

L’intégration croissante de la Génération Distribuée basée sur des sources d’énergies renouvelables présente de nouveaux défis pour le réseau électrique centralisé actuel. Le micro-réseau est une des alternatives envisagées afin d’augmenter le taux de pénétration d’énergie renouvelable et d’améliorer la qualité de l’énergie. La stabilité d’un micro-réseau est fortement sensible aux variations de puissance venant des sources d’énergie ou des charges. Dans ce contexte, un système de stockage d’énergie joue un rôle essentiel et doit satisfaire deux conditions : disposer d’une capacité de stockage importante pour adapter la production à la demande et être capable de fournir rapidement une puissance instantanée suffisante pour pallier les problèmes de qualité d’énergie. L’objectif principal de cette thèse est de concevoir et valider expérimentalement un système de conversion de puissance et l’algorithme de contrôle associé pour la gestion du stockage dans un micro-réseau afin de satisfaire les deux conditions. Suite à l’analyse de différentes technologies de stockage, on peut conclure qu’il n’y a pas de système de stockage capable de satisfaire les conditions d’énergie et de puissance en même temps. Par conséquent, l’association d’un supercondensateur et d’une batterie Redox au Vanadium dans un Système de Stockage Hybride est utilisée pour satisfaire les conditions mentionnées. Le travail de recherche est axé sur la gestion du flux d’énergie et de puissance du Système de Stockage Hybride proposé à l’aide d’un système de conversion de puissance innovant et son algorithme de commande. Un convertisseur multi-niveaux 3LNPC a été choisi pour commander en même temps les deux systèmes de stockage, en raison de faibles pertes de puissance et de distorsions harmoniques réduites en comparaison avec d’autres topologies existantes. Un algorithme de commande capable d’exploiter les limites de fonctionnement du convertisseur sur toute sa plage de fonctionnement a été conçu afin de satisfaire de manière optimale les critères spécifiés. Le fonctionnement du système de conversion et la stratégie de commande proposée ont été validés d’abord en simulation et ensuite expérimentalement en utilisant le micro-réseau installé à l’ESTIA. / The increasing penetration of Distributed Generation systems based on Renewable Energy Sources is introducing new challenges in the current centralised electric grid. The microgrid is one of the alternatives that is being analysed in order to increase the penetration level of renewable energy sources in electrical grids and improve the power quality. The microgrid stability is highly sensitive to power variations coming from the energy sources or loads. In this context, an energy storage system is essential and it must satisfy two criteria: to have a high storage capacity to adapt the generation to the demand and to be able to supply fast power variations to overcome the power quality problems that may arise. The main objective of this thesis has been to design a power conversion system and the associated control algorithm for a storage system management in order to satisfy the defined requirements, as well as to experimentally validate the proposed solution. After an analysis of different storage system technologies, it can be concluded that there is not any storage system capable of offering the energy and power requirements at the same time. Consequently, the association of a SuperCapacitor bank and a Vanadium Redox Battery is used to satisfy the mentioned requirements. This thesis has been focused on the power and energy flow management of the proposed Hybrid Energy Storage System through an innovative power conversion system and its control method. A Three-Level Neutral Point Clamped converter has been used to control at the same time the two storage systems, due to the reduced power losses and harmonic distortion compared to other existing topologies. A control algorithm that uses the operational limits of the converter in its entire operation range has been designed in order to allow selecting the best operation point according to the specified criteria. The operation of the power conversion system and the proposed control method have been first validated in simulations and then experimentally using the microgrid installed in ESTIA.

The experimental data presented in this thesis demonstrates the preparation and characterization of TiO₂ polymorphs (anatase and TiO₂-(B)) in the form of nanomaterials. The reduced dimension of the nanomaterials amplifies the properties compared to the bulk TiO₂; however, this is often at the cost of the tapped density. The anatase nanomaterials with pseudo-spherical nanoparticles of 5 to 70 nm in size were synthesized and their volumetric capacities compared. Both the gravimetric and volumetric capacity is higher for nanoparticles of less than 10 nm in diameter. The volumetric capacity is also dependent on the agglomerate size. For example at the very lowest rate of 50 mA/g, the agglomerate larger than 50 μm leads to the highest volumetric capacity; while at a rate higher than 600 mA/g the smaller agglomerates are preferred. Following this, we reported the synthesis of mesoporous TiO₂-(B) with the particle size along the [010] direction ranged from 3 to 300 nm, and the pore size increasing from 2.5 to more than 20 nm. By comparing the volumetric capacity of these TiO₂-(B) mesoporous materials, the optimal morphology for an improved volumetric capacity was identified. TiO₂-(B) with a novel microstructure was synthesized via a hydrothermal reaction. The primary particles are brick-like in shape with the shorter dimensions (4 - 10 nm) in parallel to the [100] and [010] directions, facilitating the Li⁺ ion diffusion in the particle. This TiO₂-(B) offers a superior rate capability compared to many other titanate anodes reported in the literature. In addition, it exhibits a great cycleability due to its exceptional structural stability and minimal SEI layer. Surface treatments could reduce its first cycle irreversible capacity to ~10%.