Mesure et modélisation des déformations sur une batterie pendant des cycles de charge / décharg

Contexte global

Les batteries Lithium-Ion constituent aujourd’hui l’une des solutions les plus avantageuses pour le stockage de l’énergie électrique, qui a notamment permis la démocratisation des véhicules électriques. Si la technologie Lithium-Ion est aujourd’hui solidement implantée à l’échelle industrielle, la recherche continue de progresser pour en faire une technologie plus performante et plus durable [1].

Pendant les cycles de charge / décharge des batteries, des mécanismes électrochimiques et des variations de températures sont observées en interne, entraînant une “respiration” (gonflement/dégonflement) plus ou moins importante de la batterie selon le scénario de cyclage auquel elle est soumise.

Les études cherchant à quantifier cette déformation structurelle et à la modéliser sont encore aujourd’hui peu nombreuses. En effet, les campagnes d’essais expérimentaux de cyclage ne présentent généralement pas de dispositifs de mesure mécanique sur les batteries. La majorité des études récentes sur les batteries introduisant des aspects mécaniques se focalisent le plus souvent sur la tentative de caractérisation des paramètres matériaux des constituants [2].

Par ailleurs, plusieurs dispositifs existent pour mesurer des déplacements et déformations mécaniques. Certains dispositifs permettent de réaliser une mesure ponctuelle, comme les jauges d’extensométrie qui font partie des méthodes parmi les plus éprouvées et utilisées dans l’industrie, mais dont l’usage est peu étendu au domaine des batteries. D’autres dispositifs, plus élaborés, permettent de réaliser des mesures de champs aussi bien surfaciques [3] que volumiques [4].

Résultats antérieurs

Plusieurs essais de charge/décharge ont été réalisés au laboratoire L3E de l’EIGSI sur des cellules prismatiques avec une mesure ponctuelle par jauge d’extensométrie. Couplées à des mesures thermiques simultanées, les mesures réalisées avec jauge d’extensométrie ont permis d’élaborer un modèle thermomécanique 0D de déformation [5].

Cependant, bien que le modèle ait donné des résultats proches de ceux obtenus expérimentalement, certaines limites ont pu être identifiées. Parmi celles-ci, le modèle est établi en un point (au centre de la grande surface d’une cellule prismatique), donc éloigné des bords de la cellule et de leur influence potentielle sur les résultats, ce qui serait nécessaire pour faire évoluer le modèle thermomécanique cité précédemment.

Pour répondre à cela, il est nécessaire d’utiliser des méthodes de mesure permettant d’obtenir des résultats en plusieurs points de la surface de la cellule. Des premiers essais ont été menés grâce à un FaroArm [6], ce qui a permis de d’obtenir la composante hors-plan des déplacements en plusieurs points, mettant en évidence une hétérogénéité de déformation à faible SoC jusque là non observée. Cependant, cette méthode expérimentale a montré des limites :

• elle n’est pas applicable lors d’essais de cyclage complets en enceinte,
• elle n’a pas un niveau de précision suffisant pour quantifier plusieurs paramètres nécessaires pour faire évoluer le modèle thermomécanique.

Objectif général

L’objet de cette thèse est de comprendre et de caractériser l’état d’une cellule de batterie lors de cycles de charge/décharge à travers la mesure de déformations mécaniques, aussi bien externes qu’internes. Deux grands axes constitueront le travail à effectuer : la mise en place d’expériences qui permettront de réaliser les mesures de déplacements sur les cellules, ainsi que la modélisation du comportement de la cellule en fonction des conditions de cyclage.

Mise en place des expériences

• Mesures de champs surfaciques : Utiliser la méthode de suivi de marqueurs telle que développée par l’équipe Photomécanique et Mécanique Expérimentale (PEM) de l’Institut Pprime [7] étendue à l’utilisation de deux caméras pour réaliser des mesures stéréoscopiques. Le but dans un premier temps sera d’adapter la méthode au cas d’une cellule de batterie, puis d’aider à la modélisation en fournissant une mesure plus complète des champs de déplacements en surface.
• Mesures de champs volumiques : Utiliser la méthode de corrélation d’images volumiques (DVC) élaborée par l’équipe Photomécanique et Mécanique Expérimentale (PEM) de l’Institut Pprime sur des images acquises par un tomographe à rayons X. Cette méthode permettra d’apporter une caractérisation interne de la cellule à différents moments du cyclage afin d’aider à la caractérisation des phénomènes internes à la cellule.

Modélisation du comportement de la cellule

Grâce aux mesures de champs, le but sera de faire évoluer le modèle 0D thermomécanique évoqué précédemment afin de caractériser la respiration de la cellule en fonction des conditions de cyclage.

Dans un premier temps, il s’agira de faire évoluer la partie mécanique du modèle existant en y intégrant des phénomènes déjà connus dans les études sur les matériaux : dépendance du module d’Young au type de sollicitation, au taux de lithiation et aux changements de phase.

Par la suite, il s’agira d’ajouter les effets de dilatation thermique à la modélisation (en s’appuyant sur les modèles thermiques développés par ailleurs au laboratoire L3E de l’EIGSI).

Références

[1] Feuille de route européenne, Batterie 2030+, https://battery2030.eu/wp-content/uploads/2021/08/c_860904-l_1-k_roadmap-27-march.pdf

[2] P. Gupta, P. Gudmundson, “Modeling of local electrode stresses and pressures in lithium-ion battery packs using three-dimensional homogenization”, J. Power Sources 582 (2023), 233514, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.233514

[3] V. Valle, S. Hédan, P. Cosenza, A-L Fauchille, M. Berdjane, “Digital Image Correlation Development for the Study of Materials Including Multiple Crossing Cracks”, Experimental Mechanics: Volume 55, Issue 2 (2015), Page 379-391, https://doi.org/10.1007/s11340-014-9948-1

[4] Y. Barranger, P. Doumalin, J.C. Dupré, A. Germaneau, S. Hédan, V. Valle, “Evaluation of three-dimensional and two-dimensional full displacement fields of a SEN fracture mechanics specimen, in light of experimental data using X-ray tomography”, Engineering Fracture Mechanics, 76 (15), pp. 2371-2383 (2009), https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2009.08.001

[5] D. Voyer, Y. Barranger, V. Felix, W. Wheeler, “Surface strain on prismatic Li-ion cells: Thermo-mechanical modelling, calibration and validation with gauges”, Journal of Power Sources 630 (2025) 236141, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.236141

[6] Y. Barranger, D. Voyer, A. Guignard, “Mesure des déplacements de surface en plusieurs points d’une cellule de batterie Lithium-ion”, 19ème Colloque National S.mart (mai 2025, à paraître).

[7] N. Bretagne, V. Valle, J.C. Dupré, “Development of the marks tracking technique for strain field and volume variation measurements”, NDT & E International, 38 (4) (2005) 290-298, https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2004.09.003

La thèse sera partagée entre deux établissements de recherche :

• Institut Pprime à Poitiers : L’institut P’ est un laboratoire de recherche des domaines des Sciences Physiques et des Sciences de l’Ingénierie. C’est une UPR CNRS conventionnée avec l’Université de Poitiers (Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées, Faculté des Sciences du Sport et École Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Poitiers, ENSIP) et l’École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique, ISAE-ENSMA. Cette thèse sera réalisée au sein de l'axe "Génie Mécanique et Systèmes complexes" dans l'axe "Photomécanique & analyse expérimentale en Mécanique des Solides". https://pprime.fr/la-recherche/genie-mecanique-systemes-complexes/
• Laboratoire L3E à l'EIGSI (école d'ingénieurs à La Rochelle) : Le L3E est un laboratoire spécialisé dans le stockage de l’énergie électrique. Les tests d’usure accélérée des batteries (cycles de charges et décharges) sont menés pour comprendre les mécanismes de vieillissement et valider des nouvelles technologies. Ils permettent aussi de développer des modèles pour prédire la durée de vie d’une batterie. https://www.eigsi.fr/

Étudiant(e) en 2ème année de master ou en 5ème année d’école d’ingénieurs mécanique / génie mécanique.

Être prêt à évoluer dans un contexte de laboratoire de recherche et d’essais expérimentaux.