La modélisation d'accumulateurs lithium-ion de prochaine génération
Les accumulateurs sont portatifs, très efficaces en termes de conversion d'énergie et n'émettent pas de gaz. Ils sont particulièrement prometteurs pour deux des plus importantes applications de stockage d'énergie: les véhicules électriques et la technologie de réseau électrique intelligent. Les accumulateurs Li-ion possèdent la plus importante densité de stockage d'énergie de toutes les technologies d'accumulateurs rechargeables. Les électrodes composites au lithium pourraient être la réponse aux applications grande échelle visées de par leur exceptionnelle capacité spécifique. Cependant l'expansion-contraction répétée pendant le cycle de charge-décharge peut entraîner des dommages rapides. Les fabricants d'accumulateurs Li-ion d'Asie et des États-Unis sont aujourd'hui nettement mieux placés que ceux de l'UE. Des scientifiques ont développé des modèles théoriques et computationnels de matériaux et processus à différentes échelles pour résoudre ce problème, grâce à une subvention de l'UE dans le cadre du projet LISF (Mechanics of energy storage materials: Swelling and fracturing in lithium ion batteries electrodes during charging/discharging cycles). Les chercheurs ont fait progresser des méthodes d'homogénéisation computationnelle des plus modernes combinant des phénomènes microscopiques et macroscopiques à l'aide d'une stratégie à plusieurs échelles et d'un volume d'unité multi-particules représentatif (representative volume element (RVE)). Les algorithmes améliorés ont pu traiter correctement l'électroneutralité en tant que supposition plutôt qu'en tant que loi fondamentale et exploiter pleinement les équations de Maxwell décrivant l'électricité et le magnétisme. La séparation d'échelle est traitée prudemment avec un regard particulier sur la séparation à échelle-temps, jamais encore prise en compte dans de tels modèles. La supposition de masse et de transport de charge à état constant à micro-échelle a été enlevée et des transitions à échelle temporelle introduites. La condition Hill-Mandel régissant la séparation d'échelles, le second composant le plus important d'une hypothèse continue, après les RVE, a été étendue. La simulation du transport ionique 1D dans un électrolyte d'accumulateur Li-ion a reproduit parfaitement les données recensées dans la littérature. Ceci a, de plus, pu être réalisé sans les contradictions théoriques créées dans d'autres approches, grâce à l'inclusion d'équations de Maxwell. L'analyse du comportement structurel en 2D d'un séparateur multiphasique a, de plus, validé la prise en compte de mécanismes microscopiques. Les résultats ont été diffusés dans de nombreuses publications. Les performances électrochimiques et mécaniques des accumulateurs Li-ion se sont avérées dépendre plus fortement de l'interaction entre les phénomènes à macro et à micro-échelles. Les résultats devraient avoir un impact important sur la conception d'accumulateurs Li-ion de prochaine génération et entraîner une nouvelle ère d'électricité sans fil durable et une nouvelle ère pour les fabricants d'accumulateurs de l'UE.
Mots‑clés
Lithium-ion, accumulateurs, stockage de l'énergie, électrodes, cycle de chargé-décharge
