Ce mémoire est consacré à l'étude de matériaux composites innovants du type Si/Intermétallique/Al/C utilisés comme matériaux d'électrodes négatives pour les batteries lithium ion. L'objectif de ces travaux est d'optimiser un matériau de composition 20Ni-48Sn-20Si-3Al-9C ayant été développé auparavant pour obtenir les meilleures performances électrochimiques. Ce matériau se présente sous la forme de nanoparticules de silicium enrobées par une matrice submicrométrique. Plusieurs stratégies ont été mises en œuvre : optimisation des teneurs en carbone et en silicium, influence de l'état de surface du silicium sur les propriétés électrochimiques et remplacement de l'intermétallique Ni3+xSn4 par d'autres alliages : un composé zinc-aluminium Al0, 23Zn0,77 et deux intermétalliques Cu6Sn5 et CoSn. Les composés intermétalliques ont été synthétisés par métallurgie des poudres et les matériaux composites par mécanosynthèse. Les propriétés chimiques et structurales de ces matériaux ont été déterminées par microsonde de Castaing, diffraction des rayons X et microscopies électroniques. Les caractérisations électrochimiques ont été réalisées en demi-cellules (Swagelok et bouton) par cyclage galvanostatique et par voltamétrie cyclique. Ce mémoire détaille l'influence des paramètres étudiés sur les propriétés structurales. Une large étude a notamment été menée sur l'influence des teneurs en carbone et en silicium sur l'obtention d'une matrice homogène, une condition nécessaire pour atteindre de bonnes performances électrochimiques. Le même type d'étude a été mené sur l'influence de l'effet de surface du Si et la nature de l'alliage utilisé. Il a par exemple été montré de meilleurs résultats électrochimiques pour les intermétalliques présentant une réactivité modérée avec le silicium lors du broyage mécanique. Les meilleures performances ont été obtenues pour la composition Ni0.13Sn0.15Si0.26Al0.04C0.42. Ce composite présente une capacité de 650 mAh.g-1 pendant 1000 cycles. L'utilisation d'un silicium carboné en surface améliore la stabilité en cyclage de la SEI même si son utilisation reste à optimiser / This study focuses on the optimization of innovative composite materials Si/Intermetallic/Al/C used as negative electrode in lithium-ion batteries. The aim of this work is optimization of the composition for the material (20Ni-48Sn-20Si-3Al-9C) to improve its electrochemical performances. All materials are made up of silicon nanoparticles embedded in a sub micrometrical matrix. Several issues have been studied in this essay: optimization of the silicon and carbon contents, influence of the silicon surface composition, and substitution of the former intermetallic Ni3+xSn4 by other ones: zinc aluminium compound Al0,23Zn0,77 and two intermetallics Cu6Sn5 et CoSn. Metallic compounds and composites have been synthesised by powder metallurgy and mechanical alloying, respectively. Their chemical and structural properties have been determined by electron probe microanalysis, X-ray diffraction, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Electrochemical characterisations have been carried out by galvanostatic cycling and cyclic voltammetry in coin and Swagelok half cells. This report details the influence of the studied parameters on the structural properties of the composite materials. A large study was devoted to the influence of carbon and silicon contents on the achievement of a homogeneous matrix, which is mandatory to get good electrochemical performances. Influence of the composition of silicon surface and intermetallic on the microstructure and electrochemical properties of the composites was also studied. Thus, we have shown that intermetallics reacting moderately with Si during mechanical alloying have better electrochemical properties. The best electrochemical properties have been obtained for the nominal composition Ni0.13Sn0.15Si0.26Al0.04C0.42. This material provides a reversible capacity of 650 mAh.g-1 during 1000 cycles. The use of carbon coated silicon improves the stability of the SEI during cycling even if this composite still has to be optimized

Ce mémoire présente une étude sur le refroidissement passif de batteries lithium-ion. Il se compose de deux grandes parties. La première partie est une étude expérimentale et numérique du comportement thermique d’une batterie et la seconde partie est l’étude expérimentale d’un système passif pour le refroidissement de plusieurs batteries. Un banc d’essais expérimental a été conçu pour suivre l’évolution thermique des batteries soumises à différents courants de sollicitation. Les batteries prismatiques étudiées sont de type LFP et de capacité 60 Ah. Dans un premier temps, le comportement thermique d’une batterie soumise à des cycles de charge / décharge, est caractérisé expérimentalement. Nous montrons que la température n’est pas uniforme à la surface de la batterie et la zone la plus chaude est identifiée. Dans un second temps, un modèle numérique tridimensionnel a été développé pour prédire la température en tout point de la batterie. Ce modèle thermique permet de prédire notamment les températures à l’intérieur de la batterie, non mesurées expérimentalement et ceci, pour différents courants de sollicitation. Les données d’entrée du modèle sont issues des essais expérimentaux et de la littérature. Cette phase de caractérisation thermique de la batterie est essentielle pour la conception d’un système de refroidissement. Enfin, une étude expérimentale d’un système de refroidissement passif basé sur des caloducs et des plaques à ailettes est réalisée. Plusieurs configurations sont testées au fur et à mesure en apportant des améliorations aboutissant enfin à un système à dix caloducs munis de plaques à ailettes verticales au niveau du condenseur combinés à des plaques à ailettes placées sur les faces des batteries. / This thesis deals with the passive cooling of lithium-ion batteries. It consists of two large parts. The first part is an experimental and numerical study of the thermal behaviour of a battery and the second part is the experimental study of a passive system for the cooling of several batteries. An experimental test bench was designed to monitor the thermal evolution of batteries subjected to different currents. The prismatic batteries studied are made of lithium-iron-phosphate and have a capacity of 60 Ah. In a first step, the thermal behaviour of a battery subjected to charge / discharge cycles is experimentally characterized. We show that the temperature is not uniform at the surface of the battery and the hottest area is identified. In a second step, a three-dimensional numerical model was developed to predict the temperature at any point of the battery. This thermal model makes it possible to predict in particular the temperatures inside the battery, not measured experimentally and this, for different currents. The model input data are from experimental trials and literature. This phase of thermal characterization of the battery is essential for the design of a cooling system. Finally, an experimental study of a passive cooling system based on heat pipes and finned plates is carried out. Several configurations are tested progressively with improvements leading finally to a system with ten heat pipes with vertical finned plates at the condenser combined with finned plates placed on the faces of the batteries.

This diploma thesis deals with the X-Ray crystallography study of structural changes within lithium-ion cells. First part consists of the theoretical discussion about the structural changes in commerce lithium-ion cells with focus on X-Ray crystallography. Then the ex situ, in situ and operando terms are discussed. Verification of the XRD usage is realized on the LiFePO4 material. Experimental part deals with the optimization and preparation of electrochemical cells and the measurements. Finally, results of the Rietveld analysis are discussed.

Les travaux présentés portent sur l’étude du HNBR (Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), un polymère à base d’acrylonitrile, pour son application en tant que liant d’électrodes dans les batteries lithium ions. Cette thèse repose sur un partenariat avec l’entreprise Hutchinson (spécialisée dans le domaine des polymères) qui a cherché à développer un nouveau procédé pour la fabrication des électrodes. Ce procédé par voie fondue a soulevé la problématique du polymère liant utilisé dans les électrodes puisque ce dernier doit être compatible avec le procédé tout en étant utilisable dans des batteries. C’est dans l’optique de trouver et valider un tel polymère que s’inscrit cette thèse sur le polymère HNBR. En premier lieu, nous nous sommes concentrés sur les répercussions du traitement thermique, étape importante du procédé par voie fondue, sur le HNBR. Il a été conclu que le traitement thermique conduit à une réticulation du polymère aidant ainsi à la stabilité chimique du HNBR dans les électrolytes organiques des batteries. Ensuite, le HNBR a été introduit comme liant d’électrodes et a été analysé, avec le procédé de fabrication classique puis avec le nouveau procédé. Nous avons remarqué que le HNBR est un bon candidat pour être utilisé dans un système électrochimique car il y est stable sur une large gamme de potentiels et permet d’obtenir des performances en cyclage et en puissance intéressantes. Face à ce constat, la dernière partie des travaux s’est concentrée sur une analyse approfondie du système en étudiant les interactions entre les fonctions polaires du HNBR, les nitriles, et les ions lithium présents dans l’électrolyte. La combinaison polymère-sel-solvant a été étudiée pour comprendre comment chacun de ces paramètres impacte les propriétés électrochimiques du système et en particulier la conductivité. Nous avons remarqué qu’un taux d’acrylonitrile élevé est favorable à une plus haute conductivité et que le solvant, de par son affinité avec le HNBR, est également à considérer. / In this thesis, we have investigated an acrylonitrile-based polymer, HNBR (Hydrogenated Nitrile Butadiene Rubber), for its application in lithium ion batteries. This work relies on a partnership with the company Hutchinson (specialized in polymers) who was interested in developing a new process for the fabrication of electrodes. This melt-based process revealed problems regarding the polymer that is used as a binder for the electrodes as it needs to be compatible with the process as well as with the application in batteries. The aim of the thesis was therefore to find and validate a polymer meeting these requirements. Hence, HNBR was investigated. At first, we focused on the thermal treatment of HNBR, a key step of the melt-process. It was concluded that the thermal treatment leads to the cross-linking of HNBR, which is an asset because it increases the chemical stability of HNBR in the presence of the organic electrolyte. The following step was to introduce HNBR into the electrode formulation and investigate the performances of electrodes, made with the classical process and then with the melt process. It was found that HNBR is a good candidate to be introduced in an electrochemical system because it is stable over wide potential ranges and it allows interesting cycling and power performance. Faced with these findings, the last part of the study was to focus on analyzing the system more deeply by investigating the interactions between the HNBR polar functions, nitriles, and the lithium ions from the electrolyte. The ternary system polymer-salt-solvent was analyzed to understand the impact of each of these parameters on electrochemical properties, especially the conductivity. We noticed a high acrylonitrile content was beneficial to have a higher conductivity and that the solvent, regarding its affinity with HNBR, needs also to be considered.

Avec le développement des véhicules électriques, la question de la valorisation des batteries lithium-ion (BLI) se pose pour diverses raisons. Pourtant, une filière de valorisation structurée n’existe pas aujourd’hui. Notre travail académique a pour objet l’étude de cette dernière. La filière de valorisation des BLIs est définie comme un système sociotechnique, complexe en émergence. Notre problématique consiste alors à l’étudier d’un point de vue technico-économique, organisationnel et prospectif et ce en tenant compte des différentes complexités. Cette problématique soulève trois questions de recherche : Comment modéliser la filière de valorisation des BLIs comme un système organisationnel complexe en émergence ? Comment faire de la prospective sur la filière de valorisation des BLIs ? Comment analyser la gouvernance de la filière de valorisation des BLIs ?Pour modéliser la filière de valorisation des BLIs, nous mettons en œuvre d’une manière combinée trois méthodes de modélisation systémiques : SCOS’M (Systemics for Complex Organisational Systems’ Modelling), la cartographie cognitive et la dynamique des systèmes. La modélisation a pour objectif la caractérisation de la filière (parties prenantes, sous-systèmes …), la compréhension de ses dynamiques d’évolution et l’identification des variables clés dans ces dynamiques. Cette modélisation est une base pour la suite.Pour faire de la prospective sur la filière de valorisation des BLIs, nous préconisons l’utilisation des scénarios. Ces derniers sont définis à l’aide de la matrice SRI (Stranford Research Institute), en exploitant les variables clés qui interviennent dans les dynamiques d’évolution de la filière. La prospective est permise en simulant le modèle dynamique des systèmes avec différents scénarios, afin d’analyser les aspects technico-économiques. Pour l’étude de la gouvernance de la filière de valorisation des BLIs, le périmètre a été restreint à l’activité de reconditionnement. Dans ce cas, l’étude de la gouvernance revient à analyser des combinaisons de répartition (application 2nde vie, partie prenante). Une méthodologie d’aide à la décision a été développée pour cette fin. D’une manière générale, cette thèse a identifié les enjeux et questions qui se posent lors de l’étude de la valorisation des batteries lithium-ion des véhicules électriques. A travers notre modélisation, nous avons établi une base d’analyse utile à l’aide à la décision. Nous avons répondu à certaines questions (aspects technico-économiques et organisationnels) et ouvert la voie pour d’autres (aspects logistiques et environnementaux). / With the development of electric vehicles, the recovery of lithium-ion batteries (LIB) arises for various reasons. However, a structured recovery network does not exist today. Our academic work aims to study this latter. The LIBs recovery network is defined as a socio-technical complex emerging system. Our problematic is then to study it from a technical-economic, organizational and prospective perspective, taking into account the different complexities. This problematic raises three research questions: How to model the LIBs recovery network as a complex organizational emerging system? How to foresight on the LIBs recovery network? How to analyze the LIBs recovery network governance?To model the LIBs recovery network, we apply with combination three systemic modeling methods: SCOS'M (Systemics for Complex Organisational Systems' Modelling), cognitive mapping and system dynamics. The modeling aims to characterize the recovery network (stakeholders, subsystems ...), understand its dynamics and identify the key variables in these dynamics. This model is the basis for the following research questions.To Foresight on the LIBs recovery network, we recommend the use of scenarios. These are defined using the SRI matrix (Stranford Research Institute), exploiting the key variables. Foresight is permitted by simulating the system dynamics model with different scenarios to analyze the technical-economic aspects. For the study of the LIBs recovery network governance, the scope was restricted to the repurposing activity. In this case, the study of the governance comes down to analyzing the combinations (2nd life application, stakeholder). A decision aid methodology has been developed for this purpose. In general, this thesis identified the questions that arise when considering the recovery of LIBs. Through our modeling, we have established a useful basis for decision aid. We answered some questions (technical-economic and organizational aspects) and paved the way for others (logistical and environmental aspects).

Philosophiae Doctor - PhD (Chemistry) / Lithium ion capacitors are new and promising class of energy storage devices formed from a combination of lithium-ion battery electrode materials with those of supercapacitors. They exhibit better electrochemical properties in terms of energy and power densities than the above mentioned storage systems. In this work, lithium manganese oxide spinel (LiMn2O4; LMO) and lithium manganese phosphate (LiMnPO4; LMP) as well as their respective nickel-doped graphenised derivatives (G-LMNO and G-LMNP) were synthesized and each cathode material used to fabricate lithium ion capacitors in an electrochemical assembly that utilised activated carbon (AC) as the negative electrode and lithium sulphate electrolyte in a two-electrode system. The synthetic protocol for the preparation of the materials followed a simple solvothermal route with subsequent calcination at 500 - 800 ?C. The morphological, structural and electrochemical properties of the as prepared materials were thoroughly investigated through various characterisation techniques involving High resolution scanning electron microscopy (HRSEM), High resolution transmission electron microscopy (HRTEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Small-angle X-ray scattering (SAXS), Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), Cyclic voltammetry (CV) and Galvanostatic charge/discharge.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Computational analysis of lithium ion batteries has been improved since Newman and et al. suggested the porous electrode theory. It assumed the electrode as a simple structure of homogeneous spherical particles. Bruggeman relationship which characterizes porous material by a simple equation was adopted in the homogeneous electrode model instead of the electrode morphology. To improve the prediction of a cell performance, the numerical analysis requires the realistic microstructure of the cell. Based on the experimentally determined microstructure of the positive and negative electrodes of a lithium ion battery (LIB) using x-ray micro/nano-CT technology, three dimensional (3D) simulations have been presented in this research. Tortuosity of the microstructures has been calculated by a linear diffusion equation to characterize the 3D morphology. The obtained tortuosity and porosity results pointed out that the Bruggeman relationship is not sufficiently estimate the tortuosity by the porosity of electrodes. We studied the diffusion-induced stress numerically based on realistic morphology of reconstructed particles during the lithium ion intercalation process. Diffusion-induced stresses were simulated at different C rates under galvonostatic conditions and compared with spherical particles. The simulation results showed that the intercalation stresses of particles depend on their geometric characteristics. The highest von Mises stress and tresca stress in a real particle are several times higher than the stresses in a spherical particle with the same volume. With the reconstructed positive electrode structure, local effects in the LIB cathode electrode during galvanostatic discharge process have been studied. The simulation results reported that large current density usually occurs at the joints between cathode active material particles and in the small channels in electrolyte, which will generate high electric joule power. By using the 3D real image of a LIB cathode electrode, numerical simulation results revealed that the spatial distribution of variable fields such as concentration, voltage, reaction rate, overpotential, and etc. in the cathode electrode are complicated and non-uniform, especially at high discharge rates.

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Thesis (M.Sc. (Physics)) -- University of Limpopo, 2021 / The stead-fast demand for sustainable lithium-ion batteries (LIB) with competitive electrochemical properties, safety, reduced costs, and long-life cycle, calls for intensive efforts towards the development of new battery cathode materials. The layered transition metal oxides formulated LiMO2 (M: Mn, Ni and Co) have attracted considerable attention due to their capability to optimize the discharge capacity, cycling rate, electrochemical stability and lifetime. The transition metals Mn, Ni and Co (NMC) have been reported to contribute towards enhancement of the performance of NMC based lithium-ion batteries. In this work, the electronic properties of transition metal oxides LiMO2 (M: Mn, Ni and Co) as individual crystal structures are studied using density functional theory (DFT+U) in the local density and generalized gradient approximation (LDA and GGA). The Hubbard U values together with the low spin transition metal in 3+ charge state (Mn3+, Ni3+ and Co3+) predicts the electrical conductivity of the materials. The conductivity is associated predominantly with 3d states of the transition metals (Mn, Ni and Co) and 2d character in oxygen. The LiNiO2 material is high in conductivity, while both LiMnO2 and LiCoO2 are low in electrical conductivity. All independent elastic constants satisfy the mechanical stability criterion of orthorhombic materials implying stability of the materials. However, the phonon dispersion curves display imaginary vibration along high symmetry direction for LiCoO2. The heats of formations predict that the LiNiO2 is the most thermodynamically stable material while the LiMnO2 is the least thermodynamically stable material. The derived interatomic potentials produced NiO and CoO structures with a difference of less than 1% and 9% respectively, from the experimental structures. The structures were melted at temperatures close to their experimental values from molecular dynamics. The radial distribution curves and Nano architectures presented the melting point of NiO and CoO at 2250K and 2000K respectively. All independent elastic constants satisfy the mechanical stability criterion of cubic materials implying stability of the materials. The high electrical conductivity and thermodynamic favourability LiNiO2 suggests that the material can be the most recommendable material as a cathode material and further improved through doping. This will add the overall enhancement of the electrochemical performance while stabilizing structural stability of the cathode material in high energy density Li-ion batteries. / National Research Foundation (NRF)