Des nanomatériaux C-LiFePO4 d'électrode positive pour batteries lithium-ion ont été synthétisés dans différentes conditions de synthèse (rapport Li/Fe, température, traitement thermique), après mécano-activation du mélange des précurseurs. Une étude des propriétés physico-chimiques et structurales de différents matériaux C-LiFePO4 a été réalisée par les techniques classiques de la Chimie du Solide et de la Science des Matériaux : diffraction (X, neutrons et électrons), spectroscopies (Mössbauer, IR, Raman, ...) et microscopie (MEB et MET-HR) de façon à essayer de déterminer le (les) facteur(s) clé(s) à de bonnes performances électrochimiques en batteries au lithium. La combinaison des analyses des matériaux désintercalés par DRX et MET-HR nous a permis de proposer le mécanisme dit "dominocascade" pour expliquer la désintercalation / intercalation rapide du lithium dans ces matériaux « LixFePO4 » et donc leurs bonnes performances électrochimiques en batteries lithium-ion. L'effet des cyclages longue durée à différentes températures a également été étudié.

Battery Management System (BMS) is an essential part in battery powered applications where large battery packs are in use. BMS ensures protection, controlling, supervision and accurate state estimation of battery pack to provide efficient energy management. However the particular application determines the accuracy and requirements of BMS where it has to implement; in electric vehicles (EVs) accuracy cannot be compromised. The software part of BMS estimates the states of the battery pack and takes the best possible decision. In EVs one of the key tasks of BMS’s software part is to provide the actual state of charge (SOC), which represents a crucial parameter to be determined, especially in lithium iron phosphate (LiFePO4) batteries, due to the presence of the high hysteresis behavior in the open circuit voltage than other kind of lithium batteries. This hysteresis phenomena appears with two different voltage curves during the charging and discharging process. The value of the voltage that the battery is going to assume during the off-loading operation depends on several factors, such as temperature, loop direction and ageing. In this research work, hybrid method is implemented in which advantages of several methods are achieved by implementing one technique combined with another. In this work SOC is calculated from coulomb counting method and in order to correct the error of SOC, an hysteresis model is developed and used due to presence of hysteresis effect in LiFePO4 batteries. An hysteresis model of the open circuit voltage (OCV) for a LiFePO4 cell is developed and implemented in MATLAB/Simulink© in order to reproduce the voltage response of the battery when no current from the cell is required (no load condition). Then the difference of estimated voltage and measured voltage is taken in order to correct the error of SOC calculated from coulomb counting or current integration method. To develop the hysteresis model which can reproduce the same voltage behavior, lot of experiments have been carried out practically in order to see the hysteresis voltage response and to see that how voltage curve change with the variation of temperature, ageing and loop direction. At the end model is validated with different driving profiles at different ambient temperatures.

A Comprehensive review of literature on electrode materials for lithium-ion batteries is provided in Chapter 1 of the thesis. Chapter 2 deals with the studies on porous, sub-micrometer size LiNi1/3Co1/3O2 as a positive electrode material for Li-ion cells synthesized by inverse microemulsion route and polymer template route. The electromechanical characterization studies show that carbon-coated LiNi1/3Co1/3O2 samples exhibit improved rate capability and cycling performance. Furthermore, it is anticipated that porous LiNi1/3Co1/3O2 could be useful for high rates of charge-discharge cycling. Synthesis of sub-micrometer size, porous particles of LiNi1/3Co1/3O2 using a tri-block copolymer as a soft template is carried out. LiNi1/3Co1/3O2 sample prepared at 900ºC exhibits a high rate capability and stable capacity retention of cycling. The electrochemical performance of LiNi1/3Co1/3O2 prepared in the absence of the polymer template is inferior to that of the sample prepared in the presence of the polymer template. Chapter 4 involves the synthesis of sub-micrometer size particles of LiMn2O4 in quaternary microemulsion medium. The electrochemical characterization studies provide discharge capacity values of about 100 mAh g-1 at C/5 rate and there is moderate decrease in capacity by increasing the rate of charge-discharge cycling. Studies also include charge-discharge cycling as well as ac impedance studies in temperature range from -10 to 40º C. Chapter 5 reports the synthesis of nano-plate LiFePO4 by polyol route starting from two reactants, namely, FePO42H2O and LiOH.2H2O. The electrodes fabricated out of nano-plate of LiFePO4 exhibit a high electrochemical activity. A stable capacity of about 155 mAh g-1 is measured at 0.2 C over 50 charge-discharge cycles. Mesoporous LiFePO4/C composite with two sizes of pores is prepared for the first time via solution-based polymer template technique. The precursor of LiFePO4/C composite is heated at different temperatures in the range from 600 to 800ºC to study the effect of crystalllinity, porosity and morphology on the electrochemical performance. The compound obtained at 700ºC exhibits a high rate capability and stable capacity retention on cycling with pore size distribution around 4 and 46nm. In Chapter 6, the electrochemical characterization of LiMn2O4 in an aqueous solution of 5 M LiNO3 is reported. A typical cell employing LiMn2O4 as the positive electrode and V2O5 as the negative electrode was assembled and the characterized by charge-discharge cycling in 5 M LiNO3 aqueous electrolyte. Furthermore, it is shown that Li+-ion in LiMn2O4 can be replaced by other divalent ions resulting in the formation of MMn2O4 (M = Ca, Mg, Ba and Sr) in aqueous M(NO3)2 electrolytes by subjecting LiMn2O4 electrodes to cyclic voltametry. Cyclic voltammetry and chronopotentiometry studies suggest that MMn2O4 can undergo reversible redox reaction by intercalation/deintercalation of M2+-ions in aqueous M(NO3)2 electrolytes.

Qu’il s’agisse de s’éclairer, de se chauffer, de s’alimenter sainement, de se soigner, de se véhiculer, de s’informer ou encore de se distraire, l’énergie a toujours été au centre des préoccupations et sa conversion en électricité est désormais omniprésente. Le lourd constat environnemental à la suite de l’exploitation intensive de sources fossiles a mené à une indispensable transition vers les énergies renouvelables. Souvent intermittentes, il est nécessaire de les stocker, généralement grâce à des batteries. Parmi les différentes technologies, cette thèse traite des batteries lithium-ion pour le stockage de l’énergie solaire. En effet, cette thèse a pour but l’étude d’un dispositif « tout-en-un » capable de convertir l’énergie solaire et de la stocker. Pour se faire, un semi-conducteur organique photoactif de la famille des pérylènes diimides (PDI) a été emprunté au domaine des cellules solaires organiques et couplé à un matériau phare et durable des batteries lithium-ion : le LiFePO4 (LFP). Cette thèse se décompose en trois parties selon une méthodologie qui vise à la compréhension fondamentale de transferts électroniques photoinduits, en amont du développement d’un dispositif. Pour aboutir à une preuve de concept, une étude de l’extinction de fluorescence du PDI en présence de LFP a d’abord été menée, afin de vérifier l’injection d’électrons en provenance du matériau de batterie dans le semi-conducteur excité. Ce travail a été fait en solution puis à l’état solide, pour la mise au point d’une photoélectrode. Ces deux études ont permis de comprendre les pré-requis du matériau d’électrode positive de batterie pour qu’il soit photoxydé, puis des résultats de spectroscopie Raman ont démontré l’importance des interfaces dans la mise en contact du PDI et du LFP. Finalement, forts d’une première preuve expérimentale de photocharge au sein d’un dispositif « photobatterie », le PDI a été polymérisé et son implémentation dans une photoélectrode de batterie lithium-ion a pu être optimisée. Ses rôles multiples (photoactif, photooxydant, conducteur électronique et liant) ont permis de générer un photocourant sans que cela ne soit au détriment du fonctionnement de la batterie. / Converting energy to electricity is ubiquitous because it plays a vital role in daily life whether for lighting, heating, health, transport, information or entertainment. Societal energy demands are often met with fuel fossils that have had deleterious environmental effects. Transitioning to renewables can mitigate these adverse outcomes. Renewable energy is often intermittent, requiring it to be stored for use during periods when the energy is unavailable. Batteries have become viable means to this end. Among the different technologies, this manuscript examines lithium-ion batteries for solar energy storage. Indeed, this work puts forward an all-in-one device: a device capable of converting and storing solar energy. To this end, a well-known photoactive organic semi-conductor in solar cells (perylene diimide; PDI) was coupled to a conventional and durable electrode material (LiFePO4; LFP) for lithium-ion batteries. This manuscript is divided into three discrete parts following the methodology to demonstrate the fundamental underlying processes of the future all-in-one device before its development: light harvesting and electron transfer. Towards a proof of concept, the thesis systematically studied the light mediated processes in solution, in the solid state, and in an operating device. Initial studies examined the fluorescence quenching of PDI with LFP. This was to validate the injection of electrons from the battery material to the photoexcited semi-conductor indeed occurred. The same emission studies were applied in the solid state for developing a photoelectrode. The two studies generated knowledge about the compositional and architectural requirements of the positive electrode material for it be photoxidized by PDI. Raman spectroscopy further demonstrated the importance of interfaces between the battery material and the organic semiconductor. These enabled a photocharge when the photobattery was illuminated. The PDI was next polymerized and enabled a photocurrent in the battery, courtesy of its collective properties (light harvester, photo-oxidant, electronic conductor, and binder).

La sécurité de plusieurs systèmes électriques est fortement dépendante de la fiabilité de leur bloc-batterie à base de piles aux ions lithium (Li-ion). Par conséquent, ces batteries doivent être suivis et contrôlés par un système de gestion des batteries (BMS). Le BMS interagit avec toutes les composantes du bloc-batterie de façon à maintenir leur intégrité. La principale composante d’un BMS est un modèle représentant le comportement des piles Liion et capable de prédire ses différents points d’opération. Dans les industries de l’électronique et de l’automobile, le BMS repose habituellement sur des modèles empiriques simples. Ceux-ci ne sont cependant pas capables de prédire les paramètres de la batterie lorsqu’elle vieillit. De plus, ils ne sont applicables que pour des piles spécifiques. D’un autre côté, les modèles électrochimiques sont plus sophistiqués et plus précis puisqu’ils sont basés sur la résolution des équations de transport et de cinétique électrochimique. Ils peuvent être utilisés pour simuler les caractéristiques et les réactions à l’intérieur des piles aux ions lithium. Pour résoudre les équations des modèles électrochimiques, il faut connaître les différents paramètres électrochimiques et thermo-physiques de la pile. Les variables les plus significatives des piles Li-ion peuvent être divisées en 3 catégories : les paramètres géométriques, ceux définissant les matériaux et les paramètres d’opération. Les paramètres géométriques et de matériaux peuvent être facilement obtenus à partir de mesures directes ou à partir des spécifications du manufacturier. Par contre, les paramètres d’opération ne sont pas faciles à identifier. De plus, certains d’entre eux peuvent dépendre de la technique de mesure utilisée et de l’âge. Finalement, la mesure de certains paramètres requiert le démantèlement de la pile, une procédure risquée et destructive. Plusieurs recherches ont été réalisées afin d’identifier les paramètres opérationnels des piles aux ions lithium. Toutefois, la plupart de ces études ont porté sur l’estimation d’un nombre limité de paramètres et se sont attardées sur un seul type de matériau pour l’électrode positive utilisé dans la fabrication des piles Li-ion. De plus, le couplage qui existe entre les paramètres électrochimiques et thermo-physiques est complètement ignoré. Le but principal de cette thèse est de développer une méthode générale pour identifier simultanément différents paramètres électrochimiques et thermo-physiques et de prédire la performance des piles Li-ion à base de différents matériaux d’électrodes positives. Pour atteindre ce but, une méthode inverse efficace a été introduite. Des modèles directs représentatifs des piles Li-ion à base de différents matériaux d’électrodes positives ont également été développés. Un modèle rapide et précis simulant la performance de piles Li-ion avec des électrodes positives à base de LiMn2O4 ou de LiCoO2 est présenté. Également, deux modèles ont été développés pour prédire la performance des piles Li-ion avec une électrode positive de LiFePO4. Le premier, appelé modèle mosaïque modifié (MM), est basé sur une approche macroscopique alors que le deuxième, appelé le modèle mésoscopique, est plutôt basé sur une approche microscopique. Des études d’estimation de paramètres ont été conduites en utilisant les modèles développés et des données expérimentales fournies par Hydro-Québec. Tous les paramètres électrochimiques et thermo-physiques des piles Li-ions ont été simultanément identifiés et appliqués à la prédiction de la performance des piles. Finalement, une technique en temps réel reposant sur des réseaux de neurones est introduite dans la méthode d’estimation des paramètres intrinsèques au piles Li-ion. / Abstract : The safety of many electrical systems is strongly dependent on the reliable operation of their lithium-ion (Li-ion) battery packs. As a result, the battery packs must be monitored by a battery management system (BMS). The BMS interacts with all the components of the system so as to maintain the integrity of the batteries. The main part of a BMS is a Li-ion battery model that simulates and predicts its different operating points. In the electronics and in the automobile industries, the BMS usually rests on simple empirical models. They are however unable to predict the battery parameters as it ages. Furthermore, they are only applicable to a specific cell. Electrochemical-based models are, on the other hand, more sophisticated and more precise. These models are based on chemical/electrochemical kinetics and transport equations. They may be used to simulate the Li-ion battery characteristics and reactions. In order to run the electrochemical-based mathematical models, it is imperative to know the different electrochemical and thermophysical parameters of the battery. The significant variables of the Li-ion battery can be classified into three groups: geometric, material and operational parameters. The geometric and material parameters can be easily obtained from direct measurements or from the datasheets provided by the manufacturer. The operational properties are, on the other hand, not easily available. Furthermore, some of them may vary according to the measurement techniques or the battery age. Sometimes, the measurement of these parameters requires the dismantling of the battery itself, which is a risky and destructive procedure. Many investigations have been conducted to identify the operational parameters of Li-ion batteries. However, most of these studies focused on the estimation of limited parameters, or considered only one type of the positive electrode materials used in Li-ion batteries. Moreover, the coupling of the thermophysical parameters to the electrochemical variables is ignored in all of them. The main goal of this thesis is to develop a general method to simultaneously identify different electrochemical and thermophysical parameters and to predict the performance of Li-ion batteries with different positive electrode materials. To achieve this goal, an effective inverse method is introduced. Also, direct models representative of Li-ion batteries are developed, applicable for all of the positive electrode materials. A fast and accurate model is presented for simulating the performance of the Li-ion batteries with the LiMn2O4 and LiCoO2 positive electrodes. Moreover, two macro- and micro-based models are developed for predicting the performance of Li-ion battery with the LiFePO4 positive electrode, namely the Modified Mosaic (MM) and the mesoscopic-based models. The parameter estimation studies are then implemented by means of the developed direct models and experimental data provided by Hydro-Québec. All electrochemical and thermophysical parameters of the Li-ion batteries are simultaneously identified and applied for the prediction of the battery performance. Finally, a real-time technique resting on neural networks is used for the estimation of the Li-ion batteries intrinsic parameters.

This master thesis is focused on proposition and following implementation of DC arc welder. This paper is based on semester’s paper, where the first version was realized. The welder is powered by a battery pack with LiFePO4 type cells. Battery cells are protected by BMS circuits. The driving electronics controls the duty cycle step-down (buck) converter in a closed current or power regulation loop. The power regulator has been designed and validated by simulations. Switching power transistors, low side and high side, are implemented by optically isolated gate drivers. Charging the battery is solved by a switching flyback converter. For the charger and the welder is sheet metal construction made of aluminum sheet.

Ces travaux ont permis d'approfondir les mécanismes de (dé)lithiation et de vieillissement dans des électrodes à base de silicium et de LiFePO4 pour accumulateurs Li-ion à partir d'observations multi-échelles. Des cartographies de phases, autant à l'échelle de la particule qu'à l'échelle de l'électrode, ont été menées par microscopie électronique mettant en évidence de fortes hétérogénéités. Pour le silicium, la mise en place de cartographie unique par STEM/EELS, s'appuyant sur une base de données des pertes faibles d'alliages sensibles à l'air et au faisceau d'électrons, a permis de comprendre les mécanismes de lithiation à l'échelle du nanomètre. L'étude de la première lithiation a montré des différences de mécanismes de réaction avec le lithium suivant deux facteurs : la taille des particules et les défauts au sein de celles-ci. Il a été observé une composition d'alliage LixSi plus faible pour les nanoparticules que pour les microparticules. Les défauts dus notamment au broyage constituent des sites préférentiels de lithiation. En vieillissement, les nanoparticules subissent de profonds changements structuraux et morphologiques, passant d'un état sphérique cristallin (50 nm) à un réseau de fils amorphe (5-10 nm d'épaisseur) contenu dans une matrice de SEI. Pour le LiFePO4, il a été clairement montré, par la combinaison de plusieurs techniques de microscopies électroniques (diffraction des électrons en précession, EFSD : Electron Forward Scattering Diffraction, EFTEM), que les particules de taille nanométrique (100-200 nm) étaient soit entièrement lithiées soit entièrement délithiées à l'équilibre thermodynamique. De fortes hétérogénéités ont été observées dans les électrodes fines comme dans les électrodes épaisses. A l'échelle des particules, l'analyse statistique de plus de 64000 particules a montré que les plus petites particules se délithient en premier. A l'échelle de l'agglomérat, les cartographies de phases ont révélé un mécanisme " cœur-coquille " : la réaction débute de la surface vers le centre des agglomérats. A l'échelle de l'électrode, le front de propagation de phase se déplace suivant des chemins préférentiels de plus grandes porosités de la surface de l'électrode vers le collecteur de courant. La conductivité ionique au sein de nos électrodes est le facteur limitant.

This doctoral thesis deals with synthesis and characterisation of electroactive electrode materials for li-ion batteries and accumulators. The work is divided into two main parts. One deals with LiFePO4 based cathode composite electroactive material and in the second is described the synthesis and utilization of monoclinic TiO2(B) as an anode for li-ion cell. The main aim of the work is to relate the synthesis procedure and structural properties of both materials to its electrochemical preformance.

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Dans cette thèse, nous avons effectué une étude de la stabilité thermique de quelques matériaux, utilisés comme cathodes dans les batteries au lithium-ion (BLIs), afin de contribuer à l’amélioration de leur fonctionnement. Deux matériaux, potentiellement prometteurs pour les applications d’envergure des BLIs – telles que les véhicules électriques –, ont été choisis pour cette étude. Il s’agit du phosphate de fer lithié (LiFePO4) et de l’oxyde de nickel et de manganèse de structure-type spinelle (LiMn1.5Ni0.5O4). En plus de l’étude du mécanisme de décomposition de ce dernier, l’effet de la substitution partielle du manganèse dans le matériau original (LiMn2O4) par du nickel sur la réactivité a été mise en évidence. Ces études ont été menées grâce à la calorimétrie adiabatique afin de simuler les conditions thermiques retrouvées dans des BLIs où l’environnement est quasi-adiabatique. L’effet de trois méthodes de synthèse sur la réactivité a été examiné pour LiFePO4. Nos résultats ont montré que, contrairement aux autres matériaux de cathodes, la stabilité thermique globale de LiFePO4 est peu affectée par la méthode de synthèse. Toutefois, cette stabilité intrinsèque dont le LiFePO4 bénéficie ne le met pas à l’abri des conditions d’abus de source externes. Ainsi, nous avons développé une nouvelle classe d’additifs électrolytiques pour la protection de LiFePO4 contre la surcharge. Ces derniers consistent en l’incorporation d’une navette redox dans un liquide ionique; tirant ainsi profit des avantages des deux espèces. Notre approche nous a permis d’atteindre une concentration aussi élevée qu’une mole par litre de notre additif dans des électrolytes conventionnels. Nous avons montré qu’à une concentration optimale de 0.7 M, ces liquides ioniques fonctionnalisés ont assuré la protection de LiFePO4 contre la surcharge pour plus de 200 cycles; et ce, sans affecter ses performances électrochimiques. Finalement, pour ce qui est du deuxième matériau de cathode, nous avons établi un mécanisme de décomposition de LiMn1.5Ni0.5O4 à hautes températures en présence de l’électrolyte. En plus, notre étude a montré que la substitution partielle du manganèse par le nickel dans LiMn2O4 pour augmenter son potentiel opérationnel a affecté à la baisse sa stabilité thermique; et ce, à des températures aussi basses que 60 °C. / In this thesis, we have investigated the thermal stability of cathode materials used in lithium-ion batteries (LIBs). Using accelerating rate calorimetry, the study was carried out on two of the most attractive cathode materials for large scale LIBs; namely, lithium iron phosphate (LiFePO4) and nickel-manganese spinel oxide (LiMn1.5Ni0.5O4). While the impact of partial nickel substitution for manganese in LiMn2O4 was investigated for LiMn1.5Ni0.5O4 along with its decomposition mechanism, the effect of the synthetic method was evaluated for LiFePO4. Our results have demonstrated that the high intrinsic thermal stability of LiFePO4 was only slightly affected by the synthetic method within the three studied routes. In order to enhance the safe operation of this material by providing a protection form electrical abuse during overcharge, we have developed a new class of overcharge protection additives. By combining a redox shuttle with an ionic liquid, we were able, for the first time, to dissolve the additive for protection against overcharge at concentrations up to 1 M in conventional electrolytes for LIBs. Our results have shown an overcharge protection of LiFePO4 for over 200 cycles, using an optimal concentration of 0.7 M, without compromising its electrochemical performances. Finally, by studying the thermal behavior of LiMn1.5Ni0.5O4 at different temperatures, we were able to establish the decomposition mechanism of this material. Moreover, our study has proven that the presence of nickel in LiMn1.5Ni0.5O4, that ensures the high voltage of this cathode material, is also responsible for the very poor thermal stability of this material at temperatures as low as 60 ºC.