<div>Electrochemical energy storage devices play an integral role in the energy transition from fossil fuels to renewable. Still, technological breakthroughs are warranted to expand this progress and enable their use where hydrocarbons are still the dominant option. The requirements restricting further adoption of electrochemical devices are related to energy density, hampering costs of raw materials with the increased global demand, and safety in large scale operations. Furthermore, new applications in flexible electronics add new requisites to this list. Pushing these limits involves multidisciplinary efforts where the mechanics are a crucial part.</div><div> </div><div>This thesis explores the mechanical and kinetic behaviors of batteries at the nano to micro-meter scale through operando mechanical and optical characterization during ongoing electrochemical reactions. A unique experimental platform that enables simultaneous nanoindentation and electrochemical testing of active materials is developed. The validity of mechanical testing during operation in the customized liquid cell is systematically addressed. The evolution of the mechanical properties of electrodes as a function of lithium concentration is probed in real-time. This functional dependence between mechanical properties and composition is then used to introduce the concept of mechanics-informed chemical profiling. This new capability enables characterizing transport kinetics in a detailed and quantitative way, including the role of pressure gradients on diffusion. Pairing these experiments with multi-physics modeling led to a new understanding of the mechanisms regulating charging-rate capability and capacity loss in Li-ion batteries. Experiments on composite electrodes showed that liquid electrolytes change the mechanical properties of both conductive matrix and secondary particles. These observations help understand the interactions between the different components of a battery and demonstrate the need for in-situ mechanical characterization capabilities. </div>

Le disque intervertébral est principalement composé de deux types de tissu : le nucleus pulposus au centre contenu par l'annulus fibrosus en périphérie.Le nucleus est relativement bien décrit dans la littérature contrairement à l'annulus dont la constitution bi-phasique couplée à une structure à fibres orientées reste délicate à modéliser. La caractérisation hydro-chimio-mécanique représente un point clé dans la compréhension des phénomènes qui régissent le comportement de l'organe.Pour répondre au manque d'information, deux axes de travail sont mis en place : expérimental et numérique.La réalisation de tests de traction cyclique associés à des techniques de corrélation d'images permet de fournir une base de données complète du comportement.Elle est ensuite utilisée pour identifier un modèle hydro-chimio-mécanique qui traduit le comportement non-linéaire, anisotrope, dissipatif ainsi que la sensibilité aux variations d'environnement chimique du tissu observés expérimentalement.L'intérêt majeur de cette méthode est l'identification simultanée de l'ensemble des paramètres du modèle au cours de sollicitations proches des conditions physiologiques sur chacune des éprouvettes.Ce protocole réduit ainsi les incertitudes liées aux variabilités inter-individus et inter-localisations pour obtenir des valeurs de paramètres plus fiables.La formulation identifiée permettra de proposer un modèle compréhensif des transferts de fluide impliqués dans les processus de nutrition cellulaire.Ce sujet s'intègre dans une réflexion plus large relative à la compréhension des couplages hydro-chimio-mécaniques dans les tissus biologiques.L'enjeu est de quantifier l'impact des stimuli mécaniques sur l'évolution des tissus humains et leur adaptation aux conditions environnementales. / Intervertebral disc is mainly divided into two parts : nucleus pulposus surrounding by annulus fibrosus.Nucleus is relatively well described in literature, on the other hand annulus remains difficult to model due to its bi-phasic constitution coupled with an oriented fibres structure.Hydro-chemo-mechanical characterization represent a key point to reach a better understanding of this organ.To overcome this lack of knowledge, two axes are developed in this work : experimental and numerical.Cyclic tensile tests associated to digital image correlation techniques allow to obtain a large amount of data on global tissue behaviour.It permit to identify a hydro-chemo-mechanical model which takes in account the non-linear, anisotropic and dissipative behaviours.It also highlights sensibility to chemical variations in tissue environment observed experimentally.The most important point of this work is the simultaneous parameter identification performed on each sample during solicitations similar to in vivo conditions.This protocol reduce inter-individuals and inter-localisations discrepancies and leads to an accurate bundle of parameters.The formulation aims to accurately model fluid motion inside intervertebral disc tissues which is related to cell nutrition, growth and homoeostasis.This work is involved in a larger problematic about hydro-chemo-mechanical coupling within biological tissues.It will allow to quantify mechanical stimuli influence on human tissues evolution and adaptation to environment conditions.

Der GDSW-Vorkonditionierer ist ein zweistufiges überlappendes Schwarz-Gebietszerlegungsverfahren mit einem energieminimierenden Grobraum, dessen parallele Skalierbarkeit durch das direkt gelöste Grobproblem begrenzt ist. Zur Verbesserung der parallelen Skalierbarkeit wurde hier eine mehrstufige Erweiterung eingeführt. Für den Fall skalarer elliptischer Probleme wurde eine Konditionierungszahlschranke aufgestellt. Die parallele Implementierung wurde in das quelloffene ShyLU/FROSch Paket der Trilinos-Softwarebibliothek (http://trilinos.org) integriert und auf mehreren der leistungsstärksten Supercomputern der Welt (JUQUEEN, Forschungszentrum Jülich; SuperMUC-NG, LRZ Garching; Theta, Argonne Leadership Computing Facility, Argonne National Laboratory, USA) für Modellprobleme (Laplace und lineare Elastizität) getestet. Das angestrebte Ziel einer verbesserten parallelen Skalierbarkeit wurde erreicht, der Bereich der Skalierbarkeit wurde um mehr als eine Größenordnung erweitert. Die größten Rechnungen verwendeten mehr als 200000 Prozessorkerne des Theta Supercomputers. Zudem wurde die Anwendung des GDSW-Vorkonditionierers auf ein vollständig gekoppeltes nichtlineare Deformations-Diffusions Problem in der Chemomechanik betrachtet.