Modélisation non linéaire des effets mécaniques induits par la lithiation/délithiation de particules actives utilisées dans les cellules Li-ion

Résumé : Le silicium est un matériau actif intéressant pour les anodes des batteries électriques Li-ion grâce à sa capacité spécifique élevée et son abondance dans la nature. Lors des cycles charge/décharge des batteries, la lithiation des particules de silicium induit une forte expansion du volume de ce matériau (300%) et un niveau élevé de contraintes, qui peuvent conduire à leur fragmentation. Ce travail est consacré à la modélisation du comportement mécanique de ce phénomène à température ambiante. D'abord, un modèle original semi-analytique en petites perturbations est présenté, modèle qui généralise la solution proposée par Seck et al. 2018 du problème de la sphère composite élastique-viscoplastique au cas d’une interface continue et mobile. Ensuite, nous réalisons la mise en œuvre de l'approche grandes transformations utilisant le tenseur de déformation de Hencky (Miehe et al. 2002) dans le code éléments finis CAST3M. La pertinence de ce modèle est établie par comparaison à des mesures par diffraction X de l’évolution des déformations élastiques affectant des particules cristallines de silicium (Tardif et al. 2017) et de germanium (Zapata et al. 2022) au cours de leur (dé)lithiation, évolution dépendant étroitement de la limite de plasticité de la coquille lithiée.  Finalement, ce travail de modélisation est étendu à l'étude de deux solutions technologiques existantes pour modérer la dégradation du silicium, solutions s'appuyant sur l'utilisation des structures hybrides silicium/carbone. D'abord, nous étudions l’effet mécanique d’un revêtement de carbone (Si@C). Une nouvelle approche semi-analytique avec géométrie réactualisée a été proposée et est utilisée pour interpréter les résultats expérimentaux rapportés dans Li et al. 2016 concernant la fracture du carbone pyrolytique. Ensuite, pour simuler le comportement d’une dispersion de particules de silicium dans une matrice de carbone, nous proposons un modèle diffusion-mécanique couplé par les surfaces des particules actives tandis que les conditions aux limites pour la diffusion de lithium aux interfaces silicium/carbone dépendent de l’état (cristallin ou amorphe) des particules de silicium. Quelques résultats préliminaires ont également pu être obtenus avec ce modèle et sont présentés.

Jury:

Rapporteurs :

• Laurence BRASSART - Oxford University / Professeure associée.
• Thomas HEUZE - Ecole Centrale Nantes / Maître de Conférences, HDR

Examinateurs : 

• Ziad MOUMNI - ENSTA ParisTech / Professeur.
• Rafael ESTEVEZ - SIMAP, Grenoble / Professeur.

Encadrants : 

• Bruno MICHEL - CEA IRESNE - Cadarache / Directeur de recherche.
• Benoit MATHIEU - CEA LITEN - Grenoble / Ingénieur-chercheur.

Directeurs de thèse :

• Renaud MASSON- CEA IRESNE - Cadarache / Directeur de recherche.
• Mihai Garajeu - LMA/ Aix-Marseille Université / Maître de conférences, HDR

La soutenance de Mr Guilherme DALEVEDO VIANA est prévue le 28 novembre 2023 à 10h00 / Amphithéâtre du Château de Cadarache + SKYPE