Modélisation de piles Lithium-ion : méthode d'identification et de quantification de paramètres de piles LiFePO4 cylindriques de format 18650

Abstract

Les piles Lithium-ion sont de plus en plus utilisées. Elles prennent de plus en plus de place sur le marché grâce à plusieurs avantages tel que la grande densité énergétique, la grande différence de potentiel lors de l’utilisation, une énergie spécifique élevée, la longue durée de vie, l’effet mémoire pratiquement absent, etc. Il devient donc intéressant d’avoir des connaissances plus approfondies sur la façon dont ces piles se comportent dans le temps selon les conditions d’utilisation auxquelles elles sont soumises. En d’autres mots, comment les piles vieillissent en fonction de conditions extérieures (ex : la température) et de conditions de cyclage de la pile (ex : la vitesse de décharge). Hydro-Québec est intéressé à utiliser des modèles numériques permettant de simuler l’influence des conditions d’opération sur la performance des piles à court et à long terme. Ces effets sont difficiles à prédire, surtout les effets à long terme. Le projet de maîtrise suivant cherche à répondre à cette problématique. Le but principal du projet est d’identifier les paramètres physico-chimiques importants de piles LiFePO4 de type 18650 et de déterminer une méthodologie permettant de les quantifier. Parallèlement, le projet vise à évaluer les avantages et les limites du logiciel Battery Design Studio en recherche sur le vieillissement de piles. La méthodologie obtenue pour quantifier les paramètres comporte deux étapes : la caractérisation et la modélisation. La caractérisation consiste à démanteler les piles et observer les différentes composantes au microscope électronique à balayage. Ces mesures permettent d’identifier les paramètres de conception de la pile : l’épaisseur des électrodes et des collecteurs de courant, le diamètre des particules ainsi que la position et la géométrie des « tabs ».La modélisation se fait en deux étapes : la calibration et la validation. Le modèle utilisé est un pseudo 2D basé sur le modèle de [Fuller et al., 1994]. La calibration consiste à simuler le comportement de la pile à l’aide de Battery Design Studio et de comparer les résultats obtenus avec des données expérimentales fournies par Hydro-Québec. Les conditions expérimentales auxquelles les piles sont soumises à cette étape sont une décharge à courant constant de 0.5 A à température ambiante. L’erreur entre les deux groupes de données est réduite en faisant varier les paramètres suivants : le pourcentage de matériau actif de la cathode, la densité de courant d’échange, le coefficient de diffusion solide, la tortuosité et la conductivité électrique des deux électrodes. Les paramètres identifiés comme ayant une grande importance sur le comportement de la pile sont la densité de courant d’échange de la cathode ainsi que le coefficient de diffusion solide de l’anode. Pour valider le modèle obtenu, celui-ci est soumis à de nouvelles conditions expérimentales : une décharge à courant constant de 1.05 A à température ambiante. L’erreur obtenue à cette étape est beaucoup plus grande. Deux explications sont proposées : l’augmentation de la température interne qui n’est pas prise en compte dans le modèle et la relation entre l’augmentation du courant de décharge et la diminution du diamètre apparent des particules des électrodes obtenus par [Delacourt et Safari, 2011]. Le logiciel de modélisation a été évalué durant cette étape et son utilisation n’est pas recommandée en recherche sur le vieillissement de piles puisque son code est difficile à accéder et à modifier. Les travaux futurs pouvant être effectués à la suite de ce projet seraient d’inclure la variation de température dans le modèle ainsi que la variation des paramètres due au vieillissement des piles.