Après l’introduction au contexte d’étude et au domaine du stockage de l’énergie (respectivement chapitres 1 et 2), le chapitre 3 est un état de l’art du fonctionnement des batteries lithium-ion et de leur vieillissement. Cette étude bibliographique a permis, entre autres, d’établir des hypothèses sur le vieillissement des batteries lithium-ion dans le véhicule électrique. Celles-ci consistent à considérer :
1. qu’un seul mécanisme de vieillissement, à savoir la croissance de la SEI, contribue d’une manière significative aux pertes de capacité,
2. que le vieillissement de la cellule est fondamentalement calendaire et
3. que le passage du courant (à faible régime de courant) ne contribue que d’une manière indirecte sur le vieillissement, en accélérant le vieillissement calendaire. Le chapitre 4 est consacré au traitement des résultats d’essais de vieillissement. Dans ce travail, nous nous sommes concentrés sur deux technologies d’accumulateurs lithium-ion à électrode positive LFP (phosphate de fer lithié) et NMC (nickel manganèse cobalt). Dans un premier temps nous nous sommes appuyés sur une partie des résultats des expérimentations du projet SIMCAL auquel le LTE a participé entre 2009 et 2013. Nous nous sommes ici intéressés à la dégradation de deux caractéristiques à cause du vieillissement calendaire : la capacité et le rendement énergétique. Une attention spéciale a été prêtée à la dérive de l’état de charge lors de l’analyse des pertes de capacité.
Pour vérifier les hypothèses énoncées plus haut et quantifier la dégradation des cellules soumises à un vieillissement assimilable à l’application véhicule électrique, un
ambitieux dispositif expérimental a été mis en jeu pendant cette thèse : des essais de vieillissement accéléré ont été réalisés sur 93 cellules se déroulant pendant une durée totale de plus de deux ans.
Chaque campagne de vieillissement comportait des essais de vieillissement calendaire (VC) et de vieillissement calendaire alterné (VCA). Ce dernier type d’essais est défini dans cette thèse comme un essai de vieillissement où la cellule passe l’essentiel de son temps au repos (vieillissement calendaire) et où son état de charge alterne entre deux niveaux à une fréquence fixe avec des charges et des décharges à faible régime de courant (inférieur à 1C).
Ces campagnes de vieillissement ont porté leur fruits et les résultats obtenus contri-buent à une meilleure connaissance du vieillissement des cellules lithium-ion des deux technologies considérées (LFP et NMC). Le principal résultat obtenu est la confirmation d’un effet accélérateur du vieillissement lorsque les cellules subissent des alternances de leur état de charge. Ce phénomène est particulièrement important lors des essais avec une alternance journalière du SoC des cellules NMC à des hauts niveaux de SoC.
À partir des résultats expérimentaux, il a été trouvé que le vieillissement dû aux alternances de SoC ne peut pas être considéré comme un vieillissement en cyclage "clas-sique", parce qu’il ne dépend pas directement de la quantité de charge échangée, mais il dépend principalement du niveau de SoC et de la périodicité des alternances de SoC sont réalisées.
D’autres résultats donnent ou confirment des informations supplémentaires. C’est le cas, par exemple, du rapport existant entre l’auto-décharge et la prédisposition au vieillis-sement des cellules LFP ou au comportement fortement non linéaire du vieillisvieillis-sement calendaire de cette technologie en fonction du SoC.
Le chapitre 5 est consacré à la modélisation du vieillissement ou plus particulière-ment, à celle de l’évolution de la capacité comme conséquence du vieillissement.
Pour la modélisation du vieillissement calendaire, nous avons utilisé une approche précédemment utilisée au Laboratoire Ampère pour la modélisation du vieillissement d’autre type de composant de stockage d’énergie tel que le supercondensateur. Cette approche consiste à utiliser les lois d’Arrhenius et d’Eyring qui expriment les vitesses des réactions chimiques en fonction de la température et d’autres variables.
En ce qui concerne le modèle de vieillissement calendaire, les résultats les plus sa-tisfaisants se trouvent en utilisant la loi d’Eyring et en tenant compte de la dérive de SoC pour les cellules LFP du projet SIMCAL. La démarche complète est présentée dans ce mémoire et peut être appliquée à toute autre technologie de batterie lithium-ion.
La modélisation du vieillissement calendaire alterné est basée sur la formulation des équations différentielles d’une réaction chimique en deux étapes. Même si la nature de ces réactions reste inconnue, les résultats des simulations réalisées avec le modèle obtenu pour les cellules NMC sont proches des ceux obtenus par l’expérimentation.
Le modèle obtenu est un modèle de vieillissement qui combine les effets de vieillis-sement calendaire et de cyclage lorsque le régime de courant est faible (inférieur à 1C), ce qui correspond à l’application visée, à savoir le véhicule électrique.
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 161
Perspectives
Les perspectives ouvertes par cette thèse peuvent être classifiées en quatre volets : Le premier volet concerne l’utilisation du modèle de vieillissement obtenu. Les études où ce modèle peut être d’utilité sont très diverses. D’abord, comme il a été donné en exemple à la fin du chapitre 5, une utilisation possible de ce modèle consiste à comparer le vieillissement des batteries selon la stratégie de charge choisie. D’autres études pouvant nécessiter ce modèle sont les analyses de coûts (LCA, TCO) et celle de dimensionnement optimal de packs de batteries. Une application d’un intérêt particulier consisterait à éva-luer la convenance de l’application V2G, où la batterie du véhicule interagit avec le réseau électrique.
Le deuxième volet est celui de compléter le modèle de vieillissement combiné, tout en restant dans la même application (le véhicule électrique). Ainsi, les paramètres du modèle pourraient être calculés pour d’autres conditions d’utilisation, notamment à des tempéra-tures plus faibles, proches de celles auxquelles les batteries des véhicules électriques sont utilisées. Une généralisation à d’autres états de charge et d’autres technologies serait aussi souhaitable.
Le troisième volet consiste à étendre le domaine d’application du modèle de vieillis-sement à d’autres applications proches de l’application véhicule électrique. Ainsi, nous pouvons considérer l’application PHEV, où la batterie est utilisée dans une large plage de SoC comme pour l’application EV, mais avec des régimes de courant élevés par rapport à cette dernière.
Enfin, le quatrième volet est la prise en compte d’autres mécanismes de vieillis-sement, notamment le déposition de lithium qui peut avoir lieu lors de la charge de la batterie à "froid" et lors des charges "rapides", les termes "froid" et "rapide" étant très dépendants du type de batterie (chimie d’électrode, conception du boîtier, etc.) et de leur état de santé. Une difficulté majeure sera alors l’étude de la superposition des mécanismes de vieillissement de nature différente (par exemple croissance de la SEI et déposition de lithium).
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