Détermination des propriétés de transport d'électrolytes liquides pour batteries lithium-ion au moyen d'une cellule électrochimique multi-électrodes

Les applications de mobilité nécessitent des batteries ayant une densité d'énergie élevée (autonomie d'un véhicule), avec de bonnes performances en puissance (charge rapide ou accélérations). Cependant, les électrodes des batteries de haute énergie, qui sont généralement épaisses, présentent d'importantes limitations cinétiques, notamment à cause du transport lent des ions Li+ dans les électrolytes liquides. La caractérisation des électrolytes de batteries est donc nécessaire, tant pour leur formulation que pour la modélisation de systèmes de batteries (qui nécessite un paramétrage précis pour obtenir des prédictions réalistes). Dans ce travail de thèse, nous présentons différentes méthodes de caractérisation des électrolytes liquides pour batteries. Les propriétés de transport (PT) sont déterminées à différentes concentrations pour un électrolyte de LiPF6 dans un mélange de carbonates d'éthylène et de diéthyle (1 :1 en masse). Dans ce travail, les PT et propriétés thermodynamiques d'intérêt de l'électrolyte, considéré binaire, sont les coefficient de diffusion D', nombre de transférence t_+^0, conductivité kappa et facteur thermodynamique alpha'. Les PT sont déterminées en appliquant une impulsion galvanostatique à une cellule multi-électrodes et en mesurant les tensions entre les N-1 paires d'électrodes de référence (ER) (N est le nombre d’ER dans la cellule). Les signaux sont traités pour déterminer D', t_+^0 et kappa_eff en combinant modélisation inverse et calculs analytiques. Le facteur thermodynamique alpha' de l’électrolyte est calculé à partir des données de la cellule multi-électrodes et du produit alpha' t_-^0 déterminé à l'aide de cellules de concentrationContrary to stationary storage, mobility applications require batteries with both a high energy density (e.g., vehicle autonomy) and a large power capability (e.g., fast-charging, or sudden power calls). Batteries designed for high-energy applications usually embed thick electrodes that are subject to substantial limitations, in part due to the sluggish transport Li+ ions in liquid electrolytes. Electrolyte characterization is therefore crucial, both in terms of formulation and for the simulation of battery systems (requiring accurate parametrization to get realistic predictions). In this Ph.D. thesis work, we review the different methods for the characterization of liquid electrolytes for lithium-ion batteries. Then, the transport properties are determined at different concentrations for the LiPF6 in EC/DEC (1:1 weight proportions) electrolyte (considered binary). Herein, the transport and thermodynamic properties of interest for the electrolyte are the diffusion coefficient D’, transference number t_+^0, conductivity kappa, and thermodynamic factoralpha'. The transport properties are determined by applying a galvanostatic pulse to the multi-electrode cell and by measuring the voltage response of the electrolyte between the N-1 pairs of reference electrodes (REs) (N is the number of REs in the cell). D', t_+^0 and kappa_eff are determined using data processing methods combining inverse modeling and analytical calculations. The thermodynamic factor alpha' of the electrolyte is calculated from the output data of the multi-electrode cell and the alpha' t_-^0 determined using concentration cell