L'utilisation de systèmes de stockage de l'énergie électrique tels que les batteries nécessite l'assemblage de plusieurs cellules. Comme chacune de ces dernières peut avoir des caractéristiques légèrement différentes ainsi que des conditions d'environnement thermique ou de vieillissement distinctes, l'utilisation d'un système d'équilibrage permettant une bonne gestion de la répartition de l'énergie au sein des éléments qui composent le pack est nécessaire. Les travaux de recherche présentés se rapportent à l'étude et à la conception d'un tel circuit d'équilibrage à base de convertisseurs d'énergie intégrables ainsi qu'aux sollicitations électriques engendrées dans les cellules lors de son utilisation. / To store electrical energy in batteries, the use of multiple cells is needed. Since each of these cells can have slightly different characteristics and also different thermal or aging environmental conditions, a balancing system is required to manage the energy inside the battery pack. The researches described in this document show the study and the design of such a balancing system based on power electronics converters and also the impact of these systems on the electrochemical cells.

Ces travaux de thèse se focalisent sur la modélisation électrothermique des batteries Lithium-ion de grande puissance, appliquée pour les véhicules électriques et pour le stockage d’énergie intégré au réseau. Une approche plus particulière est donnée sur la modélisation thermique de la batterie et de ses connectiques dans le but d’anticiper les comportements thermiques sous des sollicitations dynamiques de courant. De nombreuses investigations ont été réalisées dans le but de déterminer les différents paramètres électriques et thermiques de l’accumulateur, nous avons également cherché à comparer plusieurs méthodes de caractérisation différentes.La première partie du manuscrit est consacrée à la caractérisation et à la modélisation électrique.La seconde partie présente la caractérisation thermique et le modèle thermique de la batterie. Nous proposons une approche couplée de différents modèles thermiques, dans le but de prédire les comportements thermiques au niveau de la surface et du cœur de la cellule, mais également au niveau des connectiques et des câbles.Enfin, la dernière partie présente la modélisation électrothermique d’un module assemblé de trois cellules en séries. Les résultats de simulations ont été validés sur des régimes à courant constant, ainsi que sur des régimes de courant dynamique.Le travail accompagne l’intégration des modèles thermiques dans une plateforme de simulation de systèmes énergétique et ouvre des pistes vers des outils d’aide à la conception de packs de batteries, sur l’aide au dimensionnement de systèmes de refroidissement et sur le développement d’outil de diagnostic thermique des batteries. / This thesis work focuses on the electrothermal modeling of high-power Lithium-ion batteries, applied for electric vehicles and the energy storage connected to the the grid. A particular approach is given on the thermal modeling of the battery and its connectors in order to anticipate the thermal behaviors under dynamic charge and discharge current, which is very useful for the thermal management systems of the batteries. Numerous investigations have been carried out in order to determine the different electrical and thermal parameters of the accumulator, we have also tried to compare several different methods.The first part of the manuscript is dedicated to characterization and electrical modeling.The second part presents the thermal characterization and the thermal model of the battery. We propose a coupled approach of different thermal models, with the aim of predicting the thermal behaviors at the level of the surface and the core of the cell, but also at the level of the connectors and the wire.Finally, the last part presents the electrothermal modeling of a small assembled module of three cells in series. The results of simulations have been validated on constant current regimes, as well as on dynamic current regimes.The work aims to integrate the thermal models in a simulation platform of energy systems and opens up paths towards tools to help in the design of battery packs, assistance with the dimensioning of cooling systems and the development of thermal diagnostic tool for batteries.

This work deals with issues of application of the graphene material in the field of electrochemical energy storage. It includes basic graphene properties, the overview of methods for the production of lithium-iron-phosphate/graphene composites and results of different research approaches. The general aim is to present growing opportunity of application of graphene based composites in the electrochemical energy storage field. In the experimental part of this work, a electrochemical exfoliation of graphite and a production of LFP/G composites with different amount of graphene material and with different types of graphene material are carried out. This work includes also x-ray diffraction spectroscopy measurements and the evaluation of impacts of graphene additives on final properties of the electrochemical energy storage.

This thesis deals with lithiation of negative electrode li-ion batteries. In this thesis is used several electrode materials: carbon, FeCl3, lithiated carbon electrodes and silicon carbide. Reduction of irreversible capacity lithium-ion batteries leads to increased capacity and also we can use new materials as a positive electrode. Thesis deals with the differences in the properties of materials using lithiation and their use in practice

This master’s thesis describes a wireless accelerometer module. The aim of this work was to study the properties and involvement of the accelerometer, wireless module design for data transfering from the accelerometer to the PC and the module implementation. As a wireless device is used bluetooth module that enables communication between the product and the computer. The wireless module used rechargable lithium ion battery that helps keep module alive without adapter or net cable.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag für ein besseres Verständnis über die zyklische Alterung von Siliciumnanopartikel (Si-NP) als Anodenmaterial in Lithium-Ionen- und Lithium-Schwefel-Batterien. Im Fokus der Studie stand der Einfluss der Partikelgröße, des Elektrodendesigns und der Elektrolytzusammensetzung auf die elektrochemische Reversibilität des Siliciums zur Lithiumspeicherung. Über umfangreiche strukturelle Charakterisierungstechniken mittels Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie in Verbindung mit elektrochemischen Untersuchungsmethoden, konnten wesentliche Mechanismen zur Degradation aufgeklärt und die Funktion diverser Oberflächenverbindungen auf der Siliciumanode identifiziert werden. Als Hauptursache der Degradation von Si-NP mit einer Partikelgröße unter 20 nm konnte das Wachstum der Solid-Electrolyte-Interface (SEI) identifiziert werden. Pulverisierung und die Bildung neuer kristalliner Phasen kann ausgeschlossen werden. Es wurde ein kostengünstiges und flexibles Verfahren zur Herstellung eines nanostrukturierten Silicium-Kohlenstoff-Komposites entwickelt, welches unter optimierten Bedingungen eine spezifische Kapazität von 1280 mAh/g(Elektrode) und einen Kapazitätserhalt von 81 % über 500 Tiefentladungszyklen liefert. Es konnten erfolgreich hoch reversible Flächenkapazitäten von 5 mAh/cm^2 bei nur 4,4 mg/cm^2 Elektrodengewicht nachgewiesen werden. Für die Arbeit wurde zunächst ein Verfahren zur Herstellung von monodispersen Si-NP mit einer Größe von 5 nm – 20 nm angewendet. Die galvanostatische Zyklierung gegen Lithiummetall hat ergeben, dass mit abnehmender Partikelgröße die Reversibilität des Siliciums zunimmt. Über in situ Synchrotron XRD und post mortem XPS konnte eine stabilere Solid-Electrolyte-Interface (SEI) mit abnehmender Partikelgröße als Hauptursache identifiziert werden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden Si-NP im porösen Kohlenstoffgerüst durch ein leicht modifiziertes Herstellungsverfahren abgeschieden und untersucht. Durch das veränderte Elektrodendesign konnte die Reversibilität bei gleichem Kohlenstoffgehalt deutlich verbessert werden, da der Kontaktverlust des Siliciums zum leitfähigen Gerüst durch SEI Wachstum verzögert wird. Die Elektrolytadditive Fluoroethylencarbonat und Vinylencarbonat führen zu einer weiteren Verbesserung der Reversibilität, wobei Vinylencarbonat die höchste Reversibilität zur Folge hat, jedoch einen hohen Filmwiderstand verursacht. Weiterhin wurden etherbasierte Elektrolyte, welche typischerweise in Lithium-Schwefel-Batterien zum Einsatz kommen, untersucht. Hierbei wurde eine positive Wirkung von Lithiumnitrat auf die Reversibilität von Silicium festgestellt. Es konnten erfolgreich Si-Li-S (SLS) Vollzellen getestet werden, welche eine höhere Lebensdauer als vergleichbare Zellen mit Lithiummetall als Anode aufweisen. Aus den elektrochemischen und post mortem Untersuchungen konnte ein positiver Einfluss von Polysulfiden auf die SEI von Silicium nachgewiesen werden. Durch die umfangreichen post mortem Analysen konnte die Funktion diverser, in der SEI des Siliciums auftretender Verbindungen in Abhängigkeit der Elektrolytzusammensetzung aufgeklärt werden. Es wurde ein anschaulicher Mechanismus des SEI Wachstums in Abhängigkeit des Elektrolyts erstellt. / The results of this work provide a better understanding about the cyclic aging of silicon nanoparticles (Si-NP) as anode material in Lithium-ion- and Lithium-sulfur batteries. Subject of investigation was the influence of particle size, electrode design and electrolyte composition on the electrochemical reversibility of Si-NP for lithium storage. The main characterization techniques used in this study were XRD, SEM, TEM and XPS combined with electrochemical analysis and in situ synchrotron XRD. Bare silicon nanoparticles ranging from 5 – 20 nm and silicon nanoparticles embedded within a porous carbon scaffold were prepared through a cost-effective and novel synthesis technique including the hydrolysis of trichlorosilane as feedstock. The dominant degradation mechanism of these silicon nanoparticles was identified to be the continuous growth the solid-electrolyte-interphase (SEI). Other phenomena such as pulverisation or new evolving crystalline phases are excluded. It was found that a reduction of the particle size from 20 nm to 5 nm increases the reversibility due to a thicker and therewith more stable SEI. The deposition of the silicon nanoparticles into a porous carbon scaffold caused a significant improvement of the reversibility at constant carbon content. The effect of the electrolyte additives Fluoroethylene carbonate and Vinylene carbonate was analysed in detail. Furthermore, typical electrolyte compositions used for lithium-sulfur-batteries were tested and studied. Si-Li-S (SLS) full cells were demonstrated which outperform conventional lithium-sulfur batteries in terms of life time. The systematic analysis and the rational optimization process of the particle size, electrode design and electrolyte composition allowed to provide a nanostructured silicon electrode with a specific capacity of up to 1280 mAh/g(Electrode) and 81 % capacity retention after 500 deep discharge cycles. Reversible areal capacities of 5 mAh/cm^2 at 4.4 mg/cm^2 electrode weight were demonstrated.

Batteries play an important role in a sustainable future. As the development for better andsmarter batteries continues, new areas of use emerge boosting its demand. Controlling thetemperature of a battery cell is a vital objective to ensure its longevity and performance. Bothcooling and heating methods can be applied to keep the temperature within a certain rangedepending on its need. This study will review the technical aspects of lithium-ion batteries,observe the different thermal management systems and cooling methods, and lastly examinethe required cooling flow needed for a battery cell to prevent its temperature from rising tocritical levels during its discharge. Using CFD ANSYS Fluent as a simulation tool, the resultsshow that different charging rates, in terms of C-rate, require different rates of mass flow tocontrol the temperature. Simulating the cell with natural convection, the cell peaks at hightemperatures even at lower C-rates, reaching up to 36,4°C and 48,8°C for 1C and 2C,respectively. Applying the cooling method with a flow rate of 0,0077kg/s reduces thetemperature significantly, resulting in temperatures of 26,95°C and 31,27°C for 1C and 2C,respectively.

Målet med arbetet var att undersöka vilka tekniker som finns för att bekämpa bränder i elbilar ombord på fartyg och vilka farliga gaser som elbilar med litiumjonbatterier avger när de brinner.  För att svara på dessa gjordes en metaanalys för att undersöka hälsoriskerna med några av de farliga gaserna som uppstår, hur man minskar hälsorisken som följer bränder i litiumjonbatteri genom användning av särskild utrustning, samt vilka åtgärder som går att utnyttja ombord på fartyg,   Litiumjonbatterier har även visats sig problematiska att släcka, men det har dykt upp särskilda släckmedel för att bekämpa dessa bränder. I arbetet undersöks några av dessa släckmedel. Då teknologin bakom batteridrift i fordon fortfarande är relativt ny och precis börjar bli vanligt på våra gator, så finns det ännu inte mycket direktiv om vilka åtgärder som bör tas för en effektiv släckning, förhindra återtändning och skydda personers hälsa ombord på fartyg. Därför har vi valt att titta på vilka rutiner det finns i land för att se om de går att tillämpa ombord. / The purpose of this thesis was to examine which techniques exists to fight fires in electrical vehicles aboard ships and which harmful substances electrical vehicles releases when burning. To answer these questions, we performed a meta-analysis to understand some of the harmful gases that will be present during an EV fire, how to minimize the health hazard that comes with fires in lithium-ion batteries using certain equipment and what measures that can be taken aboard ships.  Li-ion batteries have also proven to be problematic to extinguish, but there have emerged certain extinguishing agents to fight these types of fires. In this thesis we look at some of these extinguishing agents. As technology being used in battery powered vehicles is still new and just becoming common on our streets, there is not a whole lot of directives on how to be effective in extinguishing them, prevent reignition and protect the health of people abord ships. That is why we have chosen to look at what is being used on shore and see if it can be applied on ships.

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再生可能エネルギーの大量導入に向けて、電力需給の安定化を目的として蓄電池を用いる電力貯蔵技術に注目が集まっている。現状のリチウムイオン電池(LIB)がベースの先進LIBは250Wh/kgの高エネルギー密度を有し、自動車のみならず電力貯蔵用途としても普及が期待されている。本研究では先進LIB正極材料として期待されるリチウム過剰系正極と高ニッケル三元系正極について容量低下などの劣化要因を明確にして、それら課題に対して正極粒子への酸化物修飾による解決を検討した。 / The development of energy storage technologies using batteries has attracted much attention to introduce the renewable energy. If we can achieve 250 Wh kg-1 with the advanced LIBs based on the principle of LIB, we can lower the cost of the total energy storage systems while ensuring the safety, and hence the advanced LIBs will accelerate the world-wide spread of large-scale power storage systems. In this thesis, the author focused surface modification of lithium-rich layered ternary transition metal oxide and high-nickel layered ternary transition metal oxide cathode particles with oxides as mitigation methods for capacity fading. / 博士(工学) / Doctor of Philosophy in Engineering / 同志社大学 / Doshisha University