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.

Dans ce travail on réalise la synthèse de nitrures doubles de lithium et de métal de type Li3-nxMx[]nx-xN (Mn+ = Co2+, Cu+ et Ni2+, [] représente les lacunes en ions Li+) par une méthode céramique, sous atmosphère contrôlée, pour une large gamme de composition (0 < x = 0,6). L'évolution des paramètres de maille de ces nitrures et l'analyse fine des diagrammes de diffraction des rayons X indiquent la présence de Co2+ et de Ni2+ en position interfeuillets, ainsi que la présence simultanée de lacunes dans le plan azoté. Dans le cas du cuivre, des ions Cu+ interfeuillets sont présents, sans lacunes dans le plan azoté. Après avoir acquis la maîtrise des paramètres de synthèse, nous réalisons la caractérisation structurale et l'étude des propriétés électrochimiques de chaque matériau en terme de capacité spécifique, rechargeabilité, durée de vie, cinétique, etc. On démontre dans tous les cas que les systèmes redox impliqués font intervenir les divers degrés d'oxydation des métaux mais également ceux de l'azote à travers d'entités (métal-N).Les performances en cyclage galvanostatique sont largement dépendantes du métal et du domaine de potentiel concerné. Des matériaux d'intercalation du lithium sont concernés dans le domaine de potentiel [0,02 – 1,0] V vs Li+/Li car ils ne font intervenir que les systèmes CoII/CoI et NiII/NiI, avec insertion du lithium dans les lacunes, et des capacités stables mais restreintes (180 mAh.g-1). Une optimisation des performances est possible si on étend le domaine de cyclage à 1,1 V, avec une capacité spécifique stable de l'ordre de 320 mAh.g-1 sur plusieurs centaines de cycles, pour le matériau Li2,23Co0,39N.

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.

Pour qu'un robot autonome puisse interagir proprement avec son milieu, ce dernier doit connaitre d'une part l'environnement dans lequel il évolue et d'autre part son état dans cet environnement. En particulier, un robot doit savoir où il est pour savoir où il doit aller. Depuis l'apparition du GPS, le problème de la localisation a été pratiquement résolu pour les robots terrestres. Le GPS ne fonctionne pas sous l'eau. Toutefois, le nombre d'opérations sous-marines augmente de manière significative chaque année. Dans notre école, nous développons un robot sous-marin pour tester des systèmes de localisation sous-marins. Le capteur principal que nous utilisons est un sonar sectoriel. Un sonar est un capteur acoustique qui positionne les objets acoustiquement réfléchissant. Par exemple, le sonar peut être utilisé pour détecter les parois d'un port. Ce capteur donne souvent des mesures aberrantes. Une telle mesure peut être due à une défaillance électrique du capteur ou d'un phénomène non pris en compte lors de la modélisation de l'environnement. Le nombre de mesures aberrantes est souvent inconnu et varie avec le temps. Le but de la thèse est de résoudre le problème de localisation avec de telles données. Un problème de localisation peut être formulé en tant que problème de satisfaction de contraintes (CSP en anglais). Un CSP est en gros un système d'équations (contraintes). Ici, l'inconnu est la pose du robot. Pour chaque mesure on obtient une contrainte reliant la pose, la mesure et l'environnement. La solution classique d'un CSP est l'ensemble des points (poses) qui satisfont toutes les contraintes. Toutefois, a cause des données aberrantes de tels points peuvent ne pas exister. Le nouveau problème consiste à trouver une solution d'un CSP lorsque une partie seulement de contraintes est satisfaite. Nous appelons ce problème un CSP relaxé. Une des contributions majeures à la thèse était de trouver plusieurs représentations de la solution d'un CSP relaxé ainsi que les algorithmes qui permettent de calculer ces solutions. La première représentation est sous la forme d'un polynôme dont les coefficients sont des ensembles que nous appelons polynômes ensemblistes. Chaque coefficient correspond à l'ensemble des points qui satisfont le nombre de contraintes égal au degré du coefficient dans le polynôme. Une telle représentation permet d'utiliser l'arithmétique des polynômes pour calculer le polynôme solution. Une deuxième représentation est sous la forme d'une fonction, qu'on appelle accumulateur, qui pour chaque élément de l'espace de recherche retourne le nombre de contraintes satisfaites. Un des obstacles à surmonter pour résoudre les problèmes de localisation est la représentation de la carte. En cas d'environnements structurés, il est possible de représenter la carte par un ensemble d'objets paramétrés tels que des segments, polygones ou des courbes. En cas d'environnements non structurées où en partie structurées tels que des cartes marines ou des cartes routières, l'idée est de représenter la carte (qui est en fait un ensemble de points) sous la forme d'une image binaire où les pixels d'intérêt (noir par exemple) représentent l'ensemble des points de la carte. Une des contributions majeures de la thèse était d'incorporer une telle représentation de la carte dans le formalisme d'un CSP ou d'un CSP relaxé sous la forme d'un contracteur appelé le contracteur sur l'image. L'utilité de ces deux contributions est montrée par un exemple de localisation d'un vrai robot dans une marina abandonnée. La thèse contient plusieurs autres contributions aux méthodes ensemblistes et la théorie des contracteurs.

Une alternative aux énergies fossiles comme vecteur énergétique peut se présenter sous la forme de l'hydrogène et de son stockage. Les hydrures métalliques sont une des options possibles pour le stockage de l'hydrogène. Les accumulateurs alcalins Ni-MH présentent une technologie intéressante pour les applications portables et pour le développement des véhicules électriques hybrides (HEV). Afin de répondre à la demande d'augmentation de la capacité massique des accumulateurs, de nouveaux composés intermétalliques hydrurables de type ABx (3etlt;xetlt;5) sont étudiés. Le groupe A est constitué de terres rares partiellement substituées par du magnésium, le groupe B contient du Ni. Après un état de l'art sur ce type de composés, le travail de cette thèse consiste à rechercher les conditions d'élaboration des composés A1-yMgyNix (3etlt;xetlt;5, 0etlt;yetlt;1, A= La, Pr, Nd) ainsi que de les caractériser d'un point de vue structural et physico-chimique (DRX, microsonde électronique, ICP) et de déterminer leurs propriétés vis-à-vis de l'hydrogène (réac tion solide-gaz et électrochimique). Durant ce travail de nouvelles phases ont été découvertes et caractérisées : les phases (A1-yMgy)5Ni19

Ce travail porte sur la recherche de différentes compositions de couches minces pouraccumulateurs Li-ion.Une première partie a été dédiée au dépôts de cathode sous forme de couche mince d’unmatériau connu, LiCoO2, et d’un matériau alternatif, Li(NiMnCo)O2 en utilisant le dépôtphysique en phase vapeur (PVD) et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD),respectivement. Les résultats (LiCoO2) ont montrés comment, après cyclage, il y a diminutionde la capacité à cycler à régime rapide et augmentation de la résistance à l’interface. Ladiffraction des rayons X a montré la présence de différentes orientations, peu cristallisées,appartenant à la phase LiCoO2 HT selon confirmation par la littérature. Les couches mincesde Li(NixMnyCo1-x-y)O2 ont été préparées par dépôt chimique en phase vapeur assisté paraérosol. La diffraction des rayons X et l’analyse Rietveld utilisant le modèle March-Dollase aété mise en oeuvre pour la détermination de la texture et des caractéristiques microstructurales.La morphologie des films a été caractérisée par microscopie électronique à balayage. L’étudea montré que la concentration de la solution de précurseur et la pression totale ont un effetmajeur sur la morphologie des films et leur texture.Une seconde partie s’est focalisée sur l’interface cathode-électrolyte pour trois cas d’étude : 1)couche mince de matériau de cathode LiCoO2, 2) couche mince de LiCoO2 recouvert de ZrO2et 3) couche mince de LiCoO2 recouvert de LIPON. L’interface cathode-électrolyte de cestrois cas d’étude a été étudiée avant et après cyclage galvanostatique afin de déterminer lescaractéristiques de la couche de surface et les changements provenant à l’interface lors dufonctionnement de l’accumulateur. L’interface des couches minces de LiCoO2 a été étudiéeplus en détail après trempage dans un électrolyte liquide afin de comprendre l’effet desprocédures de stockages courts dans les accumulateurs.De plus, les couches minces de LiPON ont été étudiées sur la base de changementsstructuraux se produisant avec la nitruration et sa corrélation à un possible mécanisme ayantlieu durant la conduction ionique. / The present work was based on the investigation of different thin film components of Li ionbatteries. A first part was dedicated to the deposition of cathodes in thin film form of aknown material, LiCoO2, and an alternative one, Li(NiMnCo)O2 employing physical vapordeposition (PVD) and chemical vapor deposition (CVD), respectively. Results on thedeposition of LiCoO2 showed how after cycling there is a reduction of rate capability andincrease in interface resistance. The X-ray diffraction pattern showed the presence of severalorientations related to the known HT phases found in literature for LiCoO2 with lowcrystallinity. On the other hand Li(NixMnyCoz)O2 thin films prepared via aerosol assistedCVD were analyzed with X-ray diffraction and Rietveld refinement using the March-Dollasemodel for the determination of the texturing and microstructural characteristics. Additionallythe morphology of the films was characterized using scanning electron microscopy. Theinvestigation showed that concentration of precursor solution and process pressures have asignificant effect on the film morphology and texturing. A second part was focused on the cathode-electrolyte interface for three case studies: 1) asdeposited LiCoO2 cathode thin film, 2) ZrO2 coated LiCoO2 thin film and 3) LiPON coatedLiCoO2 thin film. The interface cathode-electrolyte of these three cases were studied beforeand after galvanostatic cycling to determine surface layer characteristics and changes arisingon the interface after battery operation. The interface of a bare LiCoO2 layer was furtherstudied after soaking in liquid electrolyte to elucidate the effect of short storage procedures inbatteries.Surface analysis done on LiCoO2 thin films showed changes occurring at the interface layersafter the electrode was in short contact with the electrolyte solution and after galvanostaticcycling. Washing and soaking the electrode material in electrolyte and solvent showed thatsurface reactions start from the first contact. A main component of the electrolyte solution,LiPF6, has critical effect since it can decompose and form HF which reacts with carbonatesand forms LiF on the surface. Given the large amount of LiF, a high reactivity of LiCoO2 withthe decomposed species was observed, as the main components of the film were related to thedecomposed LiPF6 salt.The surface chemistry of the layer formed on LiCoO2 after cycling was mainly based ondecomposed species from the electrolyte salt arising from carbonated and fluorinated species.Artificial surface layers were deposited on LiCoO2 by means of rf sputtering. The thin layersof ZrO2 and LiPON used as coatings had minor effects on the original film morphology andcrystalline structure. An XPS analysis of the interface showed how the nature of each layerafter galvanostatic cycling was different for each case. The resulting artificial surface layerformed from ZrO2 coating showed mainly inorganic species, while the LiPON coatedcathode showed an organic nature. The final surface layers after electrochemical cycling ofthe ZrO2 coated film resembled that of the uncoated LiCoO2. Additionally, LiPON thin films were studied on the basis of structural changes occurringwith nitrogenation and its correlation to a possible mechanism during ion conduction.Composition of phosphate glasses with rf sputtering was proven to be greatly influenced bythe gas ratio employed. The largest variations were observed for lower amounts of N2 in thegas mixture. The IR spectra results showed important differences in the short range order forfilms with a similar amount of lithium. The lithium phosphorus oxynitride films depositedhere presented glassy structures with mainly ortho and pyro-phosphate units with smallamounts of short metaphosphate chains. Nitrogen insertion favors stability of lithium bygiving an environment with lower potential energy, as was evidenced by the far-IR results.

Les accumulateurs métal-air possèdent des densités d'énergie théoriques très élevées, et sont considérés comme de candidats idéaux en vue d'une rupture technologique dans les domaines des véhicules électriques et du stockage stationnaire à grande échelle. Un accumulateur métal-air opérant dans un électrolyte aqueux est peu coûteux, plus sûr, recyclable et a une faible empreinte environnementale. Ainsi, l'aboutissement de cette technologie naissante serait une alternative crédible aux accumulateurs Li-ion qui ont atteint un niveau de maturité technologique. Toutefois, le principal verrou scientifique à lever pour amener ces systèmes dans une réalité commerciale, concerne le développement d'électrodes à air bifonctionnelles. Cela nécessite la conception de catalyseurs peu coûteux et performants vis-à-vis des réactions de réduction (décharge) et de dégagement du dioxygène (charge). Les études ont porté sur la préparation de dérivés du graphène, de cobaltites et de matériaux composites carbone/oxyde. Des caractérisations physicochimiqes ont permis d'accéder à une meilleure compréhension des effets induits par leur composition, leurs propriétés électroniques et morphostructurales. Des expériences ont été conduites pour séparer les effets induits par la nature chimique du support carboné de ceux résultant de l'incorporation d'hétéroatomes ou des propriétés de surface des cobaltites. En outre, une partie de ce travail a été consacrée à l'étude de l'effet de la nature chimique de l'électrolyte (LiOH et K2ZnOH4) sur l'activité et la stabilité des nanoparticules de Co3O4 supportées sur oxyde de graphène réduit et bi-dopé à l'azote et au soufre lors l'électrocatalyse du dioxygène. / Rechargeable metal-air batteries exhibit high theoretical energy densities, and could be an ideal candidate for a technological breakthrough in the field of electric vehicles and large-scale stationary energy storage. Aqueous metal-air batteries are low-cost, safe, recyclable, and have environmental footprint. Thus, the outcome of this emerging technology could offer a credible alternative to Li-ion batteries, which are reaching a technology readiness level. However, the main scientific challenge to bring these systems into a commercial reality concerns the development of bifunctional air electrodes. This requires the design of low-cost, stable and efficient catalysts for both oxygen reduction (discharge) and oxygen evolution reactions (charge). The present work focuses on various investigations of electrocatalysts derived from graphene, cobaltites and carbon/oxide composites. The main objective was the better understanding of the effects induced by their composition, their electronic and morphostructural properties on the catalytic activity and stability of materials towards oxygen electrocatalysis. Experiments were thereby conducted in order to be able to separate effects induced by chemical nature of the carbon substrate from those resulted in the incorporation of heteroatoms or from the spinel cobaltites surface properties. In addition, a part of this study dealt with the impact of the chemical nature of the electrolyte (LiOH and K2ZnOH4) encountered in real aqueous alkali Li-air and Zn-air batteries on the activity and stability of Co3O4/N;S-RGO nanocomposites towards oxygen electrocatalysis.

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.

L'objectif de cette thèse est de démontrer que l'Emission Acoustique (AE) est une technique appropriée pour devenir un outil de diagnostic de l'état de charge, de santé et de sécurité pour les batteries lithium-ion. Ces questions sont actuellement des points clés important pour l'amélioration des performances et des durées de vie de la technologie. La structure de ce document est organisée en deux principaux chapitres expérimetaux l'un consacré à deséléments lithium-ion composés de composés d'intercalation et l'autre à desalliages de lithium.Dans le premier cas, les résultats présentés concernent le suivi par AE de la formation de la SEI et de la première intercalation des ions lithium dans la structure du graphite pour des éléments LiFePO4/C. Les événements AE provenant de plusieurs sources ont été identifiés et correspondent à la formation de gaz (bulles) et à des phénomènes de craquelures (ouvertures du bord des plans de graphène quand la SEI est formée et l'écartement quand les stades d'insertion du graphite-lithium sont finis). De plus, une étude par spectroscopie d'impédance a été menée durant un vieillissement calendaire en température sur des éléments formés à différents régimes de courant. Dans le second cas, le mécanisme d'insertion/extraction du lithium dans des éléments LiAl/LiMnO2 a été étudié en associant plusieurs techniques incluant des techniques électrochimiques, AE et post-mortem pour évaluer les mécanismes de dégradation. Lors du cyclage, les événements acoustiques sont plus intenses lors du processus de décharge et ils peuvent être attribués principalement à l'alliage avec la transformation de phase de -LiAl en -LiAl accompagnée d'une expansion volumique importante. L'émission acoustique peut ainsi offrir une nouvelle approche pour gérer le fonctionnement des technologies lithium-ion basées non plus seulement sur des paramètres électrochimiques classiques mais aussi sur des paramètres acoustiques. Des nouveaux d'états de santé et de sécurité peuvent ainsi être envisagés. / The aim of this thesis is to demonstrate that the Acoustic Emission (AE) is an appropriate technique for diagnostics of for state of charge, state of health and state of safety for lithium-ion batteries. The availability and optimization of the latter issues are key points for both performance and durability improvements of this technology. The frame of this document is organized in two main result chapters focused on AE study of two different Li-ion technologies. The beginning of the thesis is focused on the monitoring of the SEI formation by AE and the first lithium ion intercalation inside the graphite structure for LiFePO4/C cells. AE events coming from different sources have been analyzed and identified. It was found that they correspond to gas emission (bubbles) and cracking phenomena (opening on the edge of the graphene plane when the SEI is formed and spacing when lithium graphite insertion stages are completed). Further, a study of the calendar aging process supported by electrochemical impedance spectroscopy linked the aging rate with the mechanism of the SEI formation characterized by AE monitoring. The second part of the thesis studied of lithium ion insertion/extraction in LiAl/LiMnO2 cells combining a variety of techniques including electrochemical characterization, AE monitoring and post-mortem analysis in order to evaluate the degradation mechanisms. It was found that during the cycling, the acoustic events are much more intensive during the discharge process and they can be attributed mainly to the alloy were the phase transformation from -LiAl to -LiAl and a huge volume expansion occurs. It was found that battery operation under abusive conditions (overcharge, overdischarge) can be detected by AE providing new rates for battery safety management.

Avec l’apparition du véhicule électrique, le besoin électrique est en progression constante. La taille des batteries étant contrainte et leurs performances étant limitées, il est devenu indispensable de disposer d’une Gestion de l’Energie Electrique (GEE) performante. Il est donc nécessaire de maitriser l’énergie et la puissance disponibles de l’accumulateur grâce à des estimateurs d’états internes. Ce travail de thèse présente une étude détaillée de la modélisation des accumulateurs lithium-ion à partir de la théorie des électrodes poreuses ainsi que des méthodes de paramétrisation de ces modèles. Sur la base de cette étude, des structures d’observation de l’état de charge d’un accumulateur lithium-ion ont été créées. Ces structures permettent d’estimer l’état de charge de manière fiable tout en prenant en compte des erreurs de mesures des courants et tensions mises en jeu. / In electric cars, electrical need increases continuously. Since, the battery size is limited and its performances do not improve any more, it is essential to have a high-performance electrical energy management. It is thus necessary to control the battery resources, in terms of available energy and power, thanks to an ageing-integrated state estimator. This thesis work presents a detailed study of the modeling of the lithium-ion battery thanks to the porous electrodes theory and parameterization methods of these models. Following this study, structures of observation of the SOC of lithium-ion batteries has been made. Those structures allow us to estimate the Soc in a reliable way taking into account of currents and voltages errors involved.