Modélisation non-entiere d'une batterie ion-lithium avec une anode SiOx-graphite

Abstract

La nécessité croissante de réduire les émissions de carbone pousse les constructeurs automobiles à se concentrer de plus en plus sur la production et le développement de voitures électriques et hybrides. Ces véhicules ont besoin de moyens efficaces pour stocker l'énergie électrique afin d'augmenter leur autonomie. Il envisagent pour cela d'utiliser des batteries au lithium avec des anodes à base de silicium (Si) qui sont en fait des versions améliorées des batteries lithium-ion classiques, et dont la commercialisation à déjà débuté. Cependant, le comportement électrochimique du Si diffère fortement de celui du matériau d'anode traditionnel, le graphite. Cela pose un défi majeur pour la conception des systèmes de gestion de batterie (BMS) traditionnels, qui doivent être adaptés pour tenir compte de phénomènes tels que l'hystérésis du potentiel du Si. De plus, les batteries actuellement commercialisées n'utilisent pas du Si pur mais un mélange SiOx-graphite plus stable. Cela signifie que les modèles BMS doivent décrire simultanément le comportement du Si, du graphite et de leurs interactions. Le présent travail vise, dans un premier temps, à donner un aperçu de l'histoire, de la composition, du fonctionnement, de la production et de la modélisation des batteries Li-ion dans le contexte des applications BMS. Ensuite, il se concentre sur le Si et le SiOx en tant que matériau d'anode, donnant des détails sur la compréhension actuelle de la lithiation du Si. Une comparaison entre le Si et le SiOx, ainsi qu'un aperçu de la littérature traitant de la modélisation électrochimique du Si sont également proposés. Les travaux disponibles sur les matériaux à base de graphite et de Si sont également présentés. Ensuite, ce travail présente les résultats de plusieurs campagnes expérimentales réalisées sur du Si, du SiO, des demi-cellules mélangées et des cellules commerciales avec une anode SiO-graphite. Ces expériences ont été réalisées par plusieurs équipes de Robert Bosch GmbH, et fournissent de nouvelles informations importantes sur le comportement électrochimique du Si, en comblant les lacunes de la littérature et en remettant en question certains des résultats déjà rapportés. Ensuite, l'équilibrage des électrodes à base d'un mélange SiOx-graphite est analysé et plusieurs stratégies pour trouver l'équilibrage des cellules à partir des mesures d'OCV sont développées. Enfin, deux approches de modélisation différentes sont proposées. Elles prennent en compte les nouveaux comportements cellulaires sans ajouter de complexité significative par rapport aux modèles BMS conventionnels. Ces nouvelles stratégies de modélisation montrent une amélioration significative par rapport aux modèles ECM et fractionnaires plus traditionnels, en particulier dans leur capacité à capturer la tension en circuit ouvert de la cellule.