Soutenance de thèse Sanatou TOE
Thèse intitulée : Modélisation Mathematiques et Numérique des transferts ioniques dans l’électrolyte polymère PEO-LiTFSI.
Membre du jury :
- Mme Jelena POPOVIC-NEUBER, Rapporteure, University of Stavanger
- M. Jonathan DESEURE, Rapporteur, CEA
- M. Mohammad FARKHONDEH, Examinateur, Verkor
- M. Vincent VIVIER, Examinateur, Sorbonne University, Laboratoire de Réactivité de Surface
- M. Pascal FLOQUET, Examinateur, Institut national polytechnique de Toulouse, LGC Toulouse
- M. Théodore TZEDAKIS, Directeur de thèse, Université Toulouse III – Paul Sabatier, LGC Toulouse
- M. Jean-Christophe REMIGY, Co-directeur de thèse, Université Toulouse III – Paul Sabatier, LGC Toulouse
- M. Fabien Chauvet, Co-encadrant, Université Toulouse III – Paul Sabatier, LGC Toulouse
Résumé :
Cette thèse donne, d’une part, un aperçu synthétique des approches électrochimiques actuellement utilisées pour la caractérisation des électrolytes solides (mis en œuvre dans les batteries ‘tout solide’) et d’autre part propose une méthode d’évaluation des paramètres thermodynamiques et de transport associés (conductivité ionique, coecient de diusion du soluté, nombre de transport et facteur thermodynamique). Les résultats des diérentes approches et stratégies expérimentales de caractéri- sation électrochimique rapportées dans la bibliographie ont été examinés dans un premier temps, afin de mieux cerner la viabilité et la fiabilité des méthodes de utilisées. En eet, la complexité des équations mises en jeu amène les chercheurs à eectuer diverses hypothèses simplificatrices ce qui peut impacter de façon importante les résultats déduits. Une autre approche consiste à eectuer des modélisations en considérant les phénomènes physiques de transfert impliqués (qui font intervenir les paramètres/variables recherchés) ; La simulation amène des solutions ‘plus justes’ de modèles élaborés (selon la technique choisie) et cela permet une représentation plus précise des phénomènes de transport et, par conséquent, des résultats plus fiables. Ainsi, dans cette thèse une nouvelle approche permettant de caractériser les propriétés de transport d’ions dans l’électrolyte polymère PEO-LiTFSI a été étudié. Initialement, grâce à un procédé de dissolution des composants solides, l’électrolyte PEO-LiTFSI a été préparé à diérentes concentrations en LiTFSI ; la Calorimétrie Diérentielle à Balayage (DSC) et l’infrarouge (IR), ont été mis en œuvre pour le caractériser. Les résultats montrent que lorsque la fraction massique du sel de lithium (w e ) dans le mélange binaire PEO-LiTFSI est inférieure à 33 %, les caractéristiques semi-cristallines du PEO pur prédominent. Cette cristallinité décroit à mesure que w e augmente. Cependant, pour des w e supérieures à 50 % de LiTFSI, des cristaux de ce sel apparaissent dans le mélange binaire, témoignant de la saturation du PEO. De plus, des groupes fonctionnels du LiTFSI (i.e., S-CF 3 , -CF 3 , and SO 2 -N) impliqués dans la cristallisation du mélange binaire PEO-LiTFSI ont été mis en évidence par la méthode IR. Un diagramme de phase du PEO-LiTFSI a été proposé et a par la suite été utilisé pour définir les conditions opératoires des expérimentations électrochimiques (Polarisation Potentiostatique or Galvanostatique). Par ailleurs, pour étudier le transport ionique dans les électrolytes solides élaborés, une cellule électrochimique de forme parallélépipédique a été conçue, réalisée en PEEK et utilisée. Le dispositif construit afin d’éviter les phénomènes de convection naturelle lors des expérimentations électrochimiques, est constitué de deux électrodes polarisées et de 5 autres non polarisées, faisant oce de capteurs de potentiel. Ce dispositif a été utilisé afin d’investiguer les propriétés de transport ionique dans l’électrolyte solide PEO-LiTFSI. Cela a permis pour la première fois de déterminer expérimentalement et directement la topographie du profil de potentiel dans l’électrolyte, lors de la polarisation électrique de cette cellule électrochimique symétrique, ainsi que lors de la relaxation. La modélisation inverse, utilisant l’approche des moindres carrés, a été combinée aux méthodes de cellules multi-capteurs afin de déterminer les paramètres de transport et thermodynamique du PEO-LiTFSI. Un modèle numérique a été construit dans COMSOL-MATLAB pour simuler le transport ionique dans la cellule. Les résultats numériques ont été confrontés aux résultats expérimentaux (profil des potentiels aux diérents points de mesure) et leur identification a permis d’accéder aux valeurs optimales des paramètres de transport. Ces résultats ont aussi contribué à une compréhension plus approfondie du PEO-LiTFSI, en mettant en évidence la tension de stabilité, l’impact de la densité de courant et l’eet de la concentration en soluté sur les paramètres de transport et thermodynamiques.
M. Youcef Kerdja, Invité, Ampere SAS