15 Mars – Soutenance de thèse - Yuanci Zhang

10 h30 Amphi J.P. Dom - laboratoire IMS (bâtiment A31) / campus de Talence

Évaluation des performances et du vieillissement des éléments de stockage d'énergie électrochimiques pour l'usage aéronautique.

Dans un contexte de progression du stockage d’énergie sous forme électrochimique dans les transports, notamment dans l’aéronautique, les problématiques de performance, de fiabilité, de sureté de fonctionnement et de durée de vie du stockeur sont essentielles dès la phase de conception et de dimensionnement. Cette thèse est mettre au point l’étude des performances et de la robustesse des éléments de stockage électrochimiques pour l’avion plus électrique. L’ensemble de 9 technologies commerciales sont étudiées dans ce travaux. Principalement les batteries Lithium-ion de plusieurs chimies (NMC/graphite+SiO, NCA/graphite, LFP/graphite, NMC/LTO), des Supercapacitors ainsi les les technologies de dernière génération de type Lithium-ion capacitors et Lithium-soufre.
Ce travaux comporte trois grands volets. La première partie concerne la quantification des performances des stockeurs à l’état neuf non pas de manière intrinsèque mais bien en prenant en compte les conditions environnementales et d’intégration de l’application. Des protocoles spécifiques aux éléments envisagées pour l’aéronautique sont proposées. Il s’agit en particulier d’établir un test de référence en commun pour quantifier les performances des différents stockeurs en terme de densité d’énergie et densité de puissance. Puis, un modèle comportemental simple type électro-thermo reposant sur un nombre réduit de paramètres à la fois représentatifs de la physique interne à l’élément et facilement identifiable à partir d’essais temporels est développé. Enfin, un non-isotherme diagramme de Ragone est établie.
La seconde partie se concentre à l’étude du vieillissement calendaire et cyclage actif. Pour le vieillissement calendaire, les éléments sont stockés en SOC élevé (95% SOC) et en température extrêmes (-20°C, 55°C). Une attention particulière est accordée au comportement en vieillissement des éléments de Li-ion aux basses températures. Les données expérimentales montrent que la dépendance entre la vitesse de dégradation et la température de stockage ne sont pas linéaire sur la plage de température de -20°C à 55°C, ce qui signifie que le comportement de vieillissement des plusieurs éléments de stockage (Li-ion, Supercapacitors) ne suivent pas de la Loi d’Arrhenius. Une température optimale est déterminée pour minimiser la vitesse de dégradation lors que les éléments sont stockés à 95% SOC. En autre, le classique cyclage actif avec 100% DOD at 0°C et 45°C sont effectués. Le comportement de vieillissement est différent et il dépend de la température, de la technologie. Perte de conductivité, perte de matière actif dans les électrodes et perte des ions de lithium cyclables sont les principaux modes de dégradations. Puis, les tests abusifs sont effectués pour évaluer l’aspect sécurité de ces technologies. A l’occasion de l’étude de tests de vieillissement, une méthode d’estimation SOH est également proposé. Cette méthode est basée sur la qualification et quantification de « Incremental Capacity Analysis ». Les différents mécanismes de dégradation sont identifiées grâce à changement des caractéristiques de pics sur la courbe de décharge. En plus, le type de vieillissement est déterminé par la surface sous le pic, la position de pic permet de prédire l’évolution de la résistance. Enfin, un diagramme de Radar est construit en prenant en compte sept critères (densité d’énergie, densité de puissance, capacité disponible aux températures extrêmes, durée de vie en mode calendaire, autodécharge, nombre de cycle et la sécurité) basée sur les données expérimentales.
La troisième partie consiste à évaluer la robustesse des éléments de stockage lors de test de vieillissement accéléré avec un profile spécifique destiné à l’usage aéronautique. Seules les technologies (LG, Samsung) des cellules les plus prometteuses sont retenues dans cette partie. Afin de le réaliser, des nouvelles procédures de tests sont proposées. Outre les aspects environnementaux, un profil de sollicitation en courant est défini pour un trajet aérien en France interne. Les modèles proposés dans les chapitres précédents sont permis d’évaluer les impacts de température sur la vitesse de dégradation et d’estimer SOH des cellules endurées par ce profil aéronautique.

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