Analyse et Modélisation Multi-Échelles des Phénomènes de dégradation des Batteries Li-Ion – ALIBABA

Ce projet s’inscrit dans la thématique du stockage électrochimique de l’électricité (Thème 4.1 Accumulateurs de lithium) et porte sur la modélisation des phénomènes électrochimiques et chimiques aux interfaces dans les accumulateurs Li-ion. Le projet ALIBABA vise à développer une modèle physico-chimique multi-échelle permettant d’étudier, de comprendre et de prédire la réactivité électrochimique aux interfaces dans les batteries Lithium-Ion ainsi que son impact sur la dégradation de ces dispositifs. Issu du modèle MEMEPhys® (Modèle Electrochimique Multi-Echelle Physique) déjà développé par l’un des partenaires de ce projet pour décrire des phénomènes analogues dans les piles à combustibles de type PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), le projet ALIBABA profitera du retour d’expérience acquis par la communauté des PEMFC qui permettra son adaptation aux caractéristiques propres des accumulateurs de lithium. Une première version simplifiée de MEMEPhys® batteries a déjà été développée par la même équipe conduisant à des résultats très encourageants. Ce projet alliera les compétences de théoriciens (physiciens et chimistes) et d’expérimentateurs français spécialisés dans le développement de modèles multi-échelle et dans le domaine des batteries Li-Ion autour d’un objectif commun visant (i) à définir les paramètres pertinents à l’origine des performances électrochimiques des batteries Li-Ion, (ii) à les extraire au moyen de méthodes théoriques et/ou expérimentales innovantes et enfin (ii) à tester la sensibilité des grandeurs caractéristiques d’une batterie vis-à-vis de ces paramètres. Le modèle multi-échelle que nous nous proposons de développer constituera une rupture importante avec les études déjà réalisées à l’échelle mondiale dans le domaine des batteries Li-Ion. Il s’agit en effet du premier modèle multi-échelle de type « bottom-up », capable d’utiliser des données atomistiques, nano, micro et meso-structurales pour simuler le comportement électrochimique d’une cellule complète. Son développement nécessitera de relier les grandeurs microscopiques locales calculées (thermodynamiques et cinétiques) aux réponses macroscopiques mesurées sur des systèmes soumis à un processus de vieillissement accéléré. Il sera basé sur une approche combinant à la fois les méthodes quantiques (Fonctionnelle de la Densité), classiques (Dynamique Moléculaire) et classiques statistiques (Monte Carlo), ainsi que la thermodynamique irréversible et l’électrochimie aux interfaces. ALIBABA sera donc le cœur d’un logiciel modulaire et évolutif permettant en particulier de simuler le dispositif électrochimique complet dans une large gamme de conditions opératoires. Le caractère innovant de ce projet réside principalement dans la description multi-échelle, à la fois spatiale et temporelle des phénomènes microscopiques et macroscopiques à l’origine de la réponse électrochimique des batteries, et en particulier de leur vieillissement. Sa faisabilité repose sur l’existence d’un modèle équivalent développé pour les piles à combustibles PEMFC qui sera ici adapté au cas des accumulateurs au lithium. A l’interface entre la physique et la chimie, ALIBABA sera également un moteur de rapprochement de plusieurs communautés scientifiques, utilisant des concepts et des langages différents pour décrire les phénomènes électrochimiques intervenant à l’échelle du matériau massif et/ou de ses surfaces et interfaces.