Contribution de l'émission acoustique pour la gestion et la sécurité des batteries Li-ion

The aim of this thesis is to demonstrate that the Acoustic Emission (AE) is an appropriate technique for diagnostics of for state of charge, state of health and state of safety for lithium-ion batteries. The availability and optimization of the latter issues are key points for both performance and durability improvements of this technology. The frame of this document is organized in two main result chapters focused on AE study of two different Li-ion technologies. The beginning of the thesis is focused on the monitoring of the SEI formation by AE and the first lithium ion intercalation inside the graphite structure for LiFePO4/C cells. AE events coming from different sources have been analyzed and identified. It was found that they correspond to gas emission (bubbles) and cracking phenomena (opening on the edge of the graphene plane when the SEI is formed and spacing when lithium graphite insertion stages are completed). Further, a study of the calendar aging process supported by electrochemical impedance spectroscopy linked the aging rate with the mechanism of the SEI formation characterized by AE monitoring. The second part of the thesis studied of lithium ion insertion/extraction in LiAl/LiMnO2 cells combining a variety of techniques including electrochemical characterization, AE monitoring and post-mortem analysis in order to evaluate the degradation mechanisms. It was found that during the cycling, the acoustic events are much more intensive during the discharge process and they can be attributed mainly to the alloy were the phase transformation from -LiAl to -LiAl and a huge volume expansion occurs. It was found that battery operation under abusive conditions (overcharge, overdischarge) can be detected by AE providing new rates for battery safety management.L'objectif de cette thèse est de démontrer que l'Emission Acoustique (AE) est une technique appropriée pour devenir un outil de diagnostic de l'état de charge, de santé et de sécurité pour les batteries lithium-ion. Ces questions sont actuellement des points clés important pour l'amélioration des performances et des durées de vie de la technologie. La structure de ce document est organisée en deux principaux chapitres expérimetaux l'un consacré à deséléments lithium-ion composés de composés d'intercalation et l'autre à desalliages de lithium.Dans le premier cas, les résultats présentés concernent le suivi par AE de la formation de la SEI et de la première intercalation des ions lithium dans la structure du graphite pour des éléments LiFePO4/C. Les événements AE provenant de plusieurs sources ont été identifiés et correspondent à la formation de gaz (bulles) et à des phénomènes de craquelures (ouvertures du bord des plans de graphène quand la SEI est formée et l'écartement quand les stades d'insertion du graphite-lithium sont finis). De plus, une étude par spectroscopie d'impédance a été menée durant un vieillissement calendaire en température sur des éléments formés à différents régimes de courant. Dans le second cas, le mécanisme d'insertion/extraction du lithium dans des éléments LiAl/LiMnO2 a été étudié en associant plusieurs techniques incluant des techniques électrochimiques, AE et post-mortem pour évaluer les mécanismes de dégradation. Lors du cyclage, les événements acoustiques sont plus intenses lors du processus de décharge et ils peuvent être attribués principalement à l'alliage avec la transformation de phase de -LiAl en -LiAl accompagnée d'une expansion volumique importante. L'émission acoustique peut ainsi offrir une nouvelle approche pour gérer le fonctionnement des technologies lithium-ion basées non plus seulement sur des paramètres électrochimiques classiques mais aussi sur des paramètres acoustiques. Des nouveaux d'états de santé et de sécurité peuvent ainsi être envisagés