FR3110286A1 - Computer-aided process for designing a negative electrode and associated devices - Google Patents
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Abstract
Procédé assisté par ordinateur de conception d’une électrode négative et dispositifs associés L’invention concerne un procédé de conception d’une électrode négative comportant : - au moins une optimisation d’une valeur d’au moins un paramètre parmi le jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative à l’aide d’une technique d’optimisation, les autres paramètres présentant une évolution temporelle fixée, la technique d’optimisation comportant l’utilisation d’un modèle de vieillissement associant aux paramètres relatifs à l’élément électrochimique la performance électrique de l’élément électrochimique et la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que l’élément électrochimique présente une valeur de performance électrique à respecter jusqu’à la fin d’un intervalle de temps d’utilisation, le jeu de paramètres optimisé étant l’ensemble des valeurs finales de chaque paramètre, la valeur finale étant soit la valeur initiale en l’absence d’application de l’optimisation audit paramètre soit la valeur optimisée. Figure pour l'abrégé : figure 2Computer-assisted method for designing a negative electrode and associated devices The invention relates to a method for designing a negative electrode comprising: - at least one optimization of a value of at least one parameter among the set of relative parameters to the negative electrode using an optimization technique, the other parameters having a fixed temporal evolution, the optimization technique comprising the use of an aging model associating with the parameters relating to the electrochemical element the electrical performance of the electrochemical element and the optimization technique being implemented under the constraint that the electrochemical element presents an electrical performance value to be respected until the end of a time interval of use, the optimized parameter set being the set of final values of each parameter, the final value being either the initial value in the absence of application of optimization to said parameter or the optimized value. Figure for abstract: figure 2
Description
La présente invention concerne un procédé de conception d’une électrode négative d’un élément électrochimique. L’invention porte également sur des dispositifs associés, à savoir une électrode négative, un élément électrochimique, une batterie, un produit programme d’ordinateur, un support lisible d’informations et un ensemble de conception.The present invention relates to a method for designing a negative electrode of an electrochemical element. The invention also relates to related devices, namely a negative electrode, an electrochemical element, a battery, a computer program product, a readable information carrier and a design assembly.
Dans le domaine des véhicules électriques et hybrides, il est utilisé des éléments de stockage de l’énergie, et plus précisément des accumulateurs de type lithium. Cette utilisation exploite les excellentes densités énergétique et volumique des batteries rechargeables lithium-ion.In the field of electric and hybrid vehicles, energy storage elements are used, and more specifically lithium-type accumulators. This use exploits the excellent energy and volume densities of lithium-ion rechargeable batteries.
Le fonctionnement de telles batteries est basé sur l’échange réversible de l’ion lithium entre une électrode positive et une électrode négative séparée par un séparateur poreux, le tout imbibé par un électrolyte.The functioning of such batteries is based on the reversible exchange of the lithium ion between a positive electrode and a negative electrode separated by a porous separator, the whole soaked in an electrolyte.
Du fait des normes appliquées dans le cadre des véhicules hybrides et électriques, il est souhaitable que les batteries présentent en fonctionnement des bonnes propriétés tout au long du cycle de vie de la batterie.Due to the standards applied in the context of hybrid and electric vehicles, it is desirable that the batteries have good properties in operation throughout the life cycle of the battery.
La réponse électrique d’une batterie d’énergie est difficile à prédire parce qu’elle dépend à la fois d’une multitude de paramètres internes et des sollicitations externes.The electrical response of an energy bank is difficult to predict because it depends on both a multitude of internal parameters and external stresses.
Les paramètres internes d’une cellule de batterie dépendent de la composition et de la géométrie de chaque élément la constituant (électrodes, électrolyte ou collecteurs) et des interactions entre les éléments (réactions chimiques, dissolutions, transferts thermiques ou efforts mécaniques). Les sollicitations externes, typiquement le courant et la température viennent altérer chaque paramètre interne.The internal parameters of a battery cell depend on the composition and geometry of each element making it up (electrodes, electrolyte or collectors) and the interactions between the elements (chemical reactions, dissolutions, heat transfers or mechanical forces). External stresses, typically current and temperature, alter each internal parameter.
Ce qui rend encore plus difficile la connaissance des batteries est la dégradation de leurs caractéristiques au cours du temps. Cette dégradation est connue sous le nom de vieillissement et constitue un des principaux inconvénients de ce type de système de stockage d’énergie. Le vieillissement des batteries repose sur des phénomènes physicochimiques parasites, c’est-à-dire des transformations qui n’ont pas pour but la conversion d’énergie et qui sont inévitables. Le vieillissement des batteries peut être plus ou moins rapide en fonction du type d’utilisation et peut engendrer des problèmes de sécurité.What makes knowledge of batteries even more difficult is the degradation of their characteristics over time. This degradation is known as aging and is one of the main drawbacks of this type of energy storage system. The aging of batteries is based on parasitic physicochemical phenomena, i.e. transformations which are not intended to convert energy and which are inevitable. The aging of the batteries can be more or less rapid depending on the type of use and can cause safety problems.
Pour prendre en compte un tel vieillissement, il est connu de contrôler la charge de la batterie de manière spécifique.To take such aging into account, it is known to control the charge of the battery in a specific manner.
En particulier, le document EP 3 254 885 A1 propose un procédé de détermination de caractéristiques physiques de batteries embarquées dans un véhicule électrique, ledit véhicule étant destiné à effectuer au moins une mission. Le procédé comporte une étape préalable de saisie de paramètres physiques caractérisant l'au moins une mission que le véhicule va effectuer prochainement, et une étape de sélection de caractéristiques physiques parmi un ensemble de caractéristiques en fonction de l'au moins une mission que ledit véhicule va effectuer prochainement.In particular, document EP 3 254 885 A1 proposes a method for determining the physical characteristics of batteries on board an electric vehicle, said vehicle being intended to carry out at least one mission. The method comprises a prior step of inputting physical parameters characterizing the at least one mission that the vehicle is going to carry out soon, and a step of selecting physical characteristics from among a set of characteristics as a function of the at least one mission that said vehicle will perform soon.
Selon un premier mode de réalisation, l'étape de sélection détermine un profil de charge de la batterie pour la charger à partir d'un état quasi déchargé, ledit profil de charge étant déterminé en fonction de la prochaine mission à effectuer.According to a first embodiment, the selection step determines a charging profile of the battery to charge it from a quasi-discharged state, said charging profile being determined according to the next mission to be carried out.
Selon un autre mode de réalisation, l'étape de sélection détermine le nombre de cellules de la batterie et la capacité globale de la batterie en fonction de l'ensemble des missions que ledit véhicule doit effectuer.According to another embodiment, the selection step determines the number of cells of the battery and the overall capacity of the battery as a function of all the missions that said vehicle must carry out.
Toutefois, chacun des modes de réalisation du document EP 3 254 885 A1 conduit à fabriquer des batteries dont le système de contrôle est complexe puisque le système de contrôle est propre à fonctionner selon de multiples modes de fonctionnement pour faire en sorte que la batterie soit adaptée à tous les cas d’usage.However, each of the embodiments of document EP 3 254 885 A1 leads to the manufacture of batteries whose control system is complex since the control system is capable of operating according to multiple operating modes to ensure that the battery is adapted for all use cases.
Il existe donc un besoin pour un procédé permettant d’obtenir une batterie respectant des contraintes de fonctionnement et qui soit de fabrication plus aisée.There is therefore a need for a method making it possible to obtain a battery that respects operating constraints and which is easier to manufacture.
La description porte sur un procédé de conception d’une électrode négative d’un élément électrochimique, notamment d’une batterie lithium-ion, le procédé de conception étant mis en œuvre par ordinateur, le procédé comportant une phase d’optimisation des valeurs d’un jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative, pour obtenir un jeu de paramètres optimisé, la phase d’optimisation comportant la fourniture de valeurs initiales pour les paramètres relatifs à l’élément électrochimique, les paramètres relatifs à l’élément électrochimique comprenant les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative. La phase d’optimisation comprend également la fourniture d’une valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique jusqu’à la fin d’un intervalle de temps d’utilisation de l’élément électrochimique, l’intervalle de temps d’utilisation étant supérieur ou égal à un an. La phase d’optimisation comporte aussi au moins une optimisation d’une valeur d’au moins un paramètre parmi le jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative à l’aide d’une technique d’optimisation, les autres paramètres présentant une évolution temporelle fixée, par exemple une valeur constante égale à la valeur initiale du paramètre, la technique d’optimisation comportant l’utilisation d’un modèle de vieillissement associant aux paramètres relatifs à l’élément électrochimique la performance électrique de l’élément électrochimique et la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que l’élément électrochimique présente la valeur de performance électrique à respecter jusqu’à la fin de l’intervalle de temps d’utilisation, pour obtenir une valeur optimisée pour chaque paramètre optimisé, le jeu de paramètres optimisé étant l’ensemble des valeurs finales de chaque paramètre, la valeur finale étant soit la valeur initiale en l’absence d’application de l’optimisation audit paramètre soit la valeur optimisée.The description covers a method for designing a negative electrode of an electrochemical cell, in particular a lithium-ion battery, the method for designing being implemented by computer, the method comprising a phase for optimizing the values of a set of parameters relating to the negative electrode, to obtain an optimized set of parameters, the optimization phase comprising the supply of initial values for the parameters relating to the electrochemical element, the parameters relating to the electrochemical element comprising the parameters of the set parameters relating to the negative electrode. The optimization phase also includes the supply of an electrical performance value to be respected by the electrochemical element until the end of a time interval of use of the electrochemical element, the time interval of use being greater than or equal to one year. The optimization phase also comprises at least one optimization of a value of at least one parameter from among the set of parameters relating to the negative electrode using an optimization technique, the other parameters exhibiting an evolution fixed time, for example a constant value equal to the initial value of the parameter, the optimization technique comprising the use of an aging model associating with the parameters relating to the electrochemical element the electrical performance of the electrochemical element and the optimization technique being implemented under the constraint that the electrochemical element has the electrical performance value to be respected until the end of the time interval of use, to obtain an optimized value for each optimized parameter, the set of optimized parameters being the set of final values of each parameter, the final value being either the initial value in the absence of application of the optimization to said parameter or the optimized value.
Suivant des modes de réalisation particuliers, le procédé de conception comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :According to particular embodiments, the design method comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in all technically possible combinations:
- au moins un paramètre des autres paramètres est la tension maximale de l’élément électrochimique.- at least one parameter of the other parameters is the maximum voltage of the electrochemical element.
- la tension maximale de l’élément électrochimique présente au cours du temps une première valeur puis une deuxième valeur, la deuxième valeur étant strictement supérieure à la première valeur.- the maximum voltage of the electrochemical element presents over time a first value then a second value, the second value being strictly greater than the first value.
- les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative sont choisis dans la liste constituée de : la densité du matériau formant l’électrode négative, la fraction de porosité du dépôt formant l’électrode négative, le grammage de l’électrode négative, l’épaisseur de l'électrode négative et la capacité de l’électrode négative.- the parameters of the set of parameters relating to the negative electrode are chosen from the list consisting of: the density of the material forming the negative electrode, the porosity fraction of the deposit forming the negative electrode, the weight of the negative electrode , the thickness of the negative electrode and the capacitance of the negative electrode.
- l’élément électrochimique comporte également une électrode positive, les paramètres relatifs à l’élément électrochimique étant les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative, des paramètres relatifs à l’électrode positive et des paramètres relatifs à l’utilisation de l’élément électrochimique.- the electrochemical element also comprises a positive electrode, the parameters relating to the electrochemical element being the parameters of the set of parameters relating to the negative electrode, parameters relating to the positive electrode and parameters relating to the use of the electrochemical element.
- le modèle de vieillissement est un modèle selon lequel la performance électrique de l’élément électrochimique est donnée par l’évolution temporelle de l’interface solide-électrolyte.- the aging model is a model according to which the electrical performance of the electrochemical element is given by the temporal evolution of the solid-electrolyte interface.
- le paramètre optimisé est l’épaisseur de l’électrode négative.- the optimized parameter is the thickness of the negative electrode.
- le procédé comporte, en outre, une phase de fabrication de l’électrode négative présentant les valeurs du jeu de paramètres optimisé.- the method also comprises a phase of manufacturing the negative electrode presenting the values of the optimized set of parameters.
- l’électrode négative est réalisée en graphite ou en un matériau comprenant du graphite et du silicium.- the negative electrode is made of graphite or a material comprising graphite and silicon.
- l’électrode positive est réalisée en un matériau comprenant au moins un élément choisi dans la liste constituée des oxydes lithiés de nickel, manganèse et cobalt, des oxydes de lithiés nickel, cobalt et aluminium, du phosphate de fer lithié LiFePO4, du phosphate de fer et de manganèse lithié LiFeMnPO4.- the positive electrode is made of a material comprising at least one element chosen from the list consisting of lithiated oxides of nickel, manganese and cobalt, lithiated nickel, cobalt and aluminum oxides, lithiated iron phosphate LiFePO 4 , phosphate iron and lithiated manganese LiFeMnPO 4 .
La présente description concerne aussi une électrode négative d’un élément électrochimique, notamment d’une batterie lithium-ion, présentant des paramètres relatifs à l’électrode négative, les paramètres ayant pour valeur la valeur du jeu de paramètres optimisé après mise en œuvre d’un procédé de conception d’une électrode négative tel que précédemment décrit.The present description also relates to a negative electrode of an electrochemical element, in particular of a lithium-ion battery, having parameters relating to the negative electrode, the parameters having as their value the value of the set of parameters optimized after implementation of a method for designing a negative electrode as previously described.
En outre, la description se rapporte aussi à un dispositif, notamment élément électrochimique ou batterie, comportant une électrode négative tel que précédemment décrit.Furthermore, the description also relates to a device, in particular electrochemical element or battery, comprising a negative electrode as previously described.
La présente description a également pour objet un produit programme d’ordinateur comportant un support lisible d’informations, sur lequel est mémorisé un programme d’ordinateur comprenant des instructions de programme, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et mettant en œuvre la phase d’optimisation d’un procédé de conception d’une électrode négative d’un élément électrochimique tel que précédemment décrit lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de traitement des données. The present description also relates to a computer program product comprising a readable information medium, on which is stored a computer program comprising program instructions, the computer program being loadable on a data processing unit and implementing the optimization phase of a method for designing a negative electrode of an electrochemical element as previously described when the computer program is implemented on the data processing unit.
En outre, la description se rapporte aussi à un support lisible d’informations comportant des instructions de programme formant un programme d’ordinateur, le programme d’ordinateur étant chargeable sur une unité de traitement de données et mettant en œuvre la phase d’optimisation d’un procédé de conception d’une électrode négative d’un élément électrochimique tel que précédemment décrit lorsque le programme d’ordinateur est mis en œuvre sur l’unité de traitement de données.Furthermore, the description also relates to a readable information medium comprising program instructions forming a computer program, the computer program being loadable on a data processing unit and implementing the optimization phase of a method for designing a negative electrode of an electrochemical element as previously described when the computer program is implemented on the data processing unit.
La présente description a également pour objet un ensemble de conception propre à concevoir une électrode négative d’un élément électrochimique, notamment d’une batterie lithium-ion, l’ensemble de conception comportant un système propre à optimiser des valeurs d’un jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative pour obtenir un jeu de paramètres optimisé en interaction avec un produit programme d’ordinateur. Le système est propre à recevoir des valeurs initiales pour les paramètres relatifs à l’élément électrochimique, les paramètres relatifs à l’élément électrochimique comprenant les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative, à recevoir une valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique jusqu’à la fin d’un intervalle de temps d’utilisation de l’élément électrochimique, l’intervalle de temps d’utilisation étant supérieur ou égal à un an, à optimiser une valeur d’au moins un paramètre parmi le jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative, les autres paramètres présentant une évolution temporelle fixée, par exemple une valeur constante égale à la valeur initiale du paramètre, à l’aide d’une technique d’optimisation, la technique d’optimisation comportant l’utilisation d’un modèle de vieillissement associant aux paramètres relatifs à l’élément électrochimique l’évolution temporelle de la performance électrique de l’élément électrochimique et la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que l’élément électrochimique présente la valeur de performance électrique à respecter jusqu’à la fin de l’intervalle de temps d’utilisation, pour obtenir une valeur optimisée pour chaque paramètre optimisé, le jeu de paramètres optimisé étant l’ensemble des valeurs finales de chaque paramètre, la valeur finale étant soit la valeur initiale en l’absence d’application de l’optimisation audit paramètre soit la valeur optimisée. L’ensemble de conception comporte une unité de fabrication propre à fabriquer l’électrode négative présentant les valeurs du jeu de paramètre optimisé.The present description also relates to a design assembly capable of designing a negative electrode of an electrochemical element, in particular of a lithium-ion battery, the design assembly comprising a system capable of optimizing values of a set of parameters relating to the negative electrode to obtain an optimized set of parameters in interaction with a computer program product. The system is adapted to receive initial values for the parameters relating to the electrochemical element, the parameters relating to the electrochemical element comprising the parameters of the set of parameters relating to the negative electrode, to receive an electrical performance value to be respected by the electrochemical element until the end of a time interval of use of the electrochemical element, the time interval of use being greater than or equal to one year, in optimizing a value of at least one parameter from among the set of parameters relating to the negative electrode, the other parameters having a fixed evolution over time, for example a constant value equal to the initial value of the parameter, using an optimization technique, the technique of optimization comprising the use of an aging model associating with the parameters relating to the electrochemical element the temporal evolution of the electrical performance of the electrochemical element and the optimization technique being implemented under the constraint that the electrochemical element presents the electrical performance value to be respected until the end of the time interval of use, to obtain an optimized value for each optimized parameter, the optimized parameter set being the set of final values of each parameter , the final value being either the initial value in the absence of application of the optimization to said parameter or the optimized value. The design set includes a manufacturing unit capable of manufacturing the negative electrode presenting the values of the optimized parameter set.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l’invention, donnée à titre d’exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description of embodiments of the invention, given by way of example only and with reference to the drawings which are:
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Un ensemble de conception 10 et un produit programme d’ordinateur 12 sont représentés sur la figure 1.A design assembly 10 and a computer program product 12 are shown in Figure 1.
L’interaction entre l’ensemble de conception 10 et le produit programme d’ordinateur 12 permet la mise en œuvre d’un procédé de conception d’une électrode négative. Le procédé de conception est ainsi un procédé mis en œuvre par ordinateur.The interaction between the design assembly 10 and the computer program product 12 allows the implementation of a method of designing a negative electrode. The design process is thus a computer-implemented process.
L’ensemble de conception 10 comporte un système 14 et une unité de fabrication 16.The design set 10 has a system 14 and a manufacturing unit 16.
Le système 14 est un ordinateur de bureau. En variante, le système 14 est un ordinateur monté sur un rack, un ordinateur portable, une tablette, un assistant numérique personnel (PDA) ou un smartphone.System 14 is a desktop computer. Alternatively, system 14 is a rack-mounted computer, laptop, tablet, personal digital assistant (PDA), or smartphone.
Dans le cas de la figure 1, le système 14 comprend un calculateur 18, une interface utilisateur 20 et un dispositif de communication 22.In the case of Figure 1, the system 14 comprises a computer 18, a user interface 20 and a communication device 22.
Le calculateur 18 est un circuit électronique conçu pour manipuler et/ou transformer des données représentées par des quantités électroniques ou physiques dans des registres du système 14 et/ou des mémoires en d'autres données similaires correspondant à des données physiques dans les mémoires de registres ou d'autres types de dispositifs d'affichage, de dispositifs de transmission ou de dispositifs de mémorisation.The calculator 18 is an electronic circuit designed to manipulate and/or transform data represented by electronic or physical quantities in registers of the system 14 and/or memories into other similar data corresponding to physical data in the register memories. or other types of display devices, transmission devices or storage devices.
En tant qu’exemples spécifiques, le calculateur 18 comprend un processeur monocœur ou multicœurs (tel qu’une unité de traitement centrale (CPU), une unité de traitement graphique (GPU), un microcontrôleur et un processeur de signal numérique (DSP)), un circuit logique programmable (comme un circuit intégré spécifique à une application (ASIC), un réseau de portes programmablesin situ(FPGA), un dispositif logique programmable (PLD) et des réseaux logiques programmables (PLA)), une machine à états, une porte logique et des composants matériels discrets.As specific examples, the computer 18 includes a single-core or multi-core processor (such as a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), a microcontroller, and a digital signal processor (DSP)) , programmable logic circuit (such as application-specific integrated circuit (ASIC), field -programmable gate array (FPGA), programmable logic device (PLD), and programmable logic arrays (PLA)), state machine , a logic gate and discrete hardware components.
Le calculateur 18 comprend une unité de traitement de données 24 adaptée pour traiter des données, notamment en effectuant des calculs, des mémoires 26 adaptées à stocker des données et un lecteur 28 adapté à lire un support lisible par ordinateur.The computer 18 comprises a data processing unit 24 adapted to process data, in particular by performing calculations, memories 26 adapted to store data and a reader 28 adapted to read a computer-readable medium.
L'interface utilisateur 20 comprend un dispositif d'entrée 30 et un dispositif de sortie 32.The user interface 20 includes an input device 30 and an output device 32.
Le dispositif d’entrée 30 est un dispositif permettant à l'utilisateur du système 14 de saisir sur le système 14 des informations ou des commandes.The input device 30 is a device allowing the user of the system 14 to enter information or commands on the system 14.
Sur la figure 1, le dispositif d’entrée 30 est un clavier. En variante, le dispositif d’entrée 30 est un périphérique de pointage (tel qu'une souris, un pavé tactile et une tablette graphique), un dispositif de reconnaissance vocale, un oculomètre ou un dispositif haptique (analyse des mouvements).In Figure 1, the input device 30 is a keyboard. Alternatively, the input device 30 is a pointing device (such as a mouse, touchpad, and graphics tablet), voice recognition device, eye tracker, or haptic (motion analysis) device.
Le dispositif de sortie 32 est une interface utilisateur graphique, c’est-à-dire une unité d’affichage conçue pour fournir des informations à l’utilisateur du système 14.The output device 32 is a graphical user interface, i.e. a display unit designed to provide information to the user of the system 14.
Sur la figure 1, le dispositif de sortie 32 est un écran d’affichage permettant une présentation visuelle de la sortie. Dans d'autres modes de réalisation, le dispositif de sortie 32 est une imprimante, une unité d'affichage augmenté et/ou virtuel, un haut-parleur ou un autre dispositif générateur de son pour présenter la sortie sous forme sonore, une unité produisant des vibrations et/ou des odeurs ou une unité adaptée à produire un signal électrique.In Figure 1, the output device 32 is a display screen allowing a visual presentation of the output. In other embodiments, the output device 32 is a printer, augmented and/or virtual display unit, speaker, or other sound generating device for presenting the output in sound form, a generating unit vibrations and/or odors or a unit adapted to produce an electrical signal.
Dans un mode de réalisation spécifique, le dispositif d'entrée 30 et le dispositif de sortie 32 sont le même composant formant des interfaces homme-machine, tel qu'un écran interactif.In a specific embodiment, the input device 30 and the output device 32 are the same component forming human-machine interfaces, such as an interactive screen.
Le dispositif de communication 22 permet une communication unidirectionnelle ou bidirectionnelle entre les composants du système 14. Par exemple, le dispositif de communication 22 est un système de communication par bus ou une interface d'entrée / sortie.The communication device 22 allows unidirectional or bidirectional communication between the components of the system 14. For example, the communication device 22 is a bus communication system or an input/output interface.
La présence du dispositif de communication 22 permet que, dans certains modes de réalisation, les composants du calculateur 18 soient distants les uns des autres.The presence of the communication device 22 allows that, in certain embodiments, the components of the computer 18 are distant from each other.
Le produit programme informatique 12 comprend un support lisible par ordinateur 34.Computer program product 12 includes computer readable medium 34.
Le support lisible par ordinateur 34 est un dispositif tangible lisible par le lecteur 28 du calculateur 18.The computer-readable medium 34 is a tangible device readable by the reader 28 of the computer 18.
Notamment, le support lisible par ordinateur 34 n'est pas un signal transitoire en soi, tels que des ondes radio ou d'autres ondes électromagnétiques à propagation libre, telles que des impulsions lumineuses ou des signaux électroniques.Notably, the computer-readable medium 34 is not a transient signal per se, such as radio waves or other freely propagating electromagnetic waves, such as light pulses or electronic signals.
Un tel support de stockage lisible par ordinateur 34 est, par exemple, un dispositif de stockage électronique, un dispositif de stockage magnétique, un dispositif de stockage optique, un dispositif de stockage électromagnétique, un dispositif de stockage à semi-conducteur ou toute combinaison de ceux-ci.Such a computer-readable storage medium 34 is, for example, an electronic storage device, a magnetic storage device, an optical storage device, an electromagnetic storage device, a semiconductor storage device, or any combination thereof. these.
En tant que liste non exhaustive d'exemples plus spécifiques, le support de stockage lisible par ordinateur 34 est un dispositif codé mécaniquement, tel que des cartes perforées ou des structures en relief dans une gorge, une disquette, un disque dur, une mémoire morte (ROM), une mémoire vive (RAM), une mémoire effaçable programmable en lecture seule (EROM), une mémoire effaçable électriquement et lisible (EEPROM), un disque magnéto-optique, une mémoire vive statique (SRAM), un disque compact (CD-ROM), un disque numérique polyvalent (DVD), une clé USB, un disque souple, une mémoire flash, un disque à semi-conducteur (SSD) ou une carte PC telle qu'une carte mémoire PCMCIA.As a non-exhaustive list of more specific examples, computer-readable storage medium 34 is a mechanically encoded device, such as punched cards or grooved relief structures, floppy disk, hard disk, ROM (ROM), Random Access Memory (RAM), Erasable Programmable Read Only Memory (EROM), Electrically Erasable Readable Memory (EEPROM), Magneto-Optical Disk, Static Random Access Memory (SRAM), Compact Disc ( CD-ROM), digital versatile disk (DVD), USB flash drive, floppy disk, flash memory, solid state disk (SSD) or PC card such as a PCMCIA memory card.
Un programme d'ordinateur est stocké sur le support de stockage lisible par ordinateur 34. Le programme d'ordinateur comprend une ou plusieurs séquences d'instructions de programme mémorisées.A computer program is stored on computer-readable storage medium 34. The computer program includes one or more stored program instruction sequences.
De telles instructions de programme, lorsqu'elles sont exécutées par l'unité de traitement de données 24, entraînent l'exécution d'étapes du procédé de conception.Such program instructions, when executed by data processing unit 24, cause steps of the design method to be executed.
Par exemple, la forme des instructions de programme est une forme de code source, une forme exécutable par ordinateur ou toute forme intermédiaire entre un code source et une forme exécutable par ordinateur, telle que la forme résultant de la conversion du code source via un interpréteur, un assembleur, un compilateur, un éditeur de liens ou un localisateur. En variante, les instructions de programme sont un microcode, des instructions firmware, des données de définition d’état, des données de configuration pour circuit intégré (par exemple du VHDL) ou un code objet.For example, the form of program instructions is source code form, computer executable form, or any intermediate form between source code and computer executable form, such as the form resulting from source code conversion through an interpreter , assembler, compiler, linker, or locator. Alternatively, the program instructions are microcode, firmware instructions, state definition data, integrated circuit configuration data (eg VHDL) or object code.
Les instructions de programme sont écrites dans n’importe quelle combinaison d’un ou de plusieurs langages, par exemple un langage de programmation orienté objet (FORTRAN, C++, JAVA, HTML), un langage de programmation procédural (langage C par exemple).Program instructions are written in any combination of one or more languages, for example an object-oriented programming language (FORTRAN, C++, JAVA, HTML), a procedural programming language (C language for example).
Alternativement, les instructions du programme sont téléchargées depuis une source externe via un réseau, comme c'est notamment le cas pour les applications. Dans ce cas, le produit programme d'ordinateur comprend un support de données lisible par ordinateur sur lequel sont stockées les instructions de programme ou un signal de support de données sur lequel sont codées les instructions de programme.Alternatively, program instructions are downloaded from an external source via a network, as is notably the case for applications. In this case, the computer program product comprises a computer-readable data carrier on which the program instructions are stored or a data carrier signal on which the program instructions are encoded.
Dans chaque cas, le produit programme d'ordinateur 12 comprend des instructions qui peuvent être chargées dans l'unité de traitement de données 24 et adaptées pour provoquer l'exécution du procédé de conception lorsqu'elles sont exécutées par l'unité de traitement de données 24. Selon les modes de réalisation, l'exécution est entièrement ou partiellement réalisée soit sur le système 14, c'est-à-dire un ordinateur unique, soit dans un système distribué entre plusieurs ordinateurs (notamment via l’utilisation de l’informatique en nuage).In each case, the computer program product 12 comprises instructions which can be loaded into the data processing unit 24 and adapted to cause execution of the design process when executed by the data processing unit. data 24. According to the embodiments, the execution is entirely or partially carried out either on the system 14, that is to say a single computer, or in a system distributed between several computers (in particular via the use of the cloud computing).
L’unité de fabrication 16 est propre à fabriquer une électrode négative sur la base d’un jeu de paramètres bien choisi.The manufacturing unit 16 is able to manufacture a negative electrode on the basis of a well-chosen set of parameters.
Des exemples de jeu de paramètres correspondants sont donnés dans la suite de la description.Examples of sets of corresponding parameters are given in the remainder of the description.
Selon une variante, l’unité de fabrication 16 est propre à fabriquer tous les composants d’un dispositif comportant une électrode négative avec des paramètres additionnels relatifs aux autres composants du dispositif.According to a variant, the manufacturing unit 16 is capable of manufacturing all the components of a device comprising a negative electrode with additional parameters relating to the other components of the device.
Un exemple de tel dispositif est un élément électrochimique ou une batterie.An example of such a device is an electrochemical element or a battery.
Le fonctionnement de l’ensemble de conception 10 est maintenant décrit en référence à la figure 2 qui est un ordinogramme illustrant un exemple de mise en œuvre du procédé de conception.The operation of the design assembly 10 is now described with reference to FIG. 2 which is a flowchart illustrating an example of implementation of the design method.
Le procédé de conception vise à concevoir une électrode négative présentant des propriétés améliorées.The design method aims to design a negative electrode with improved properties.
Le procédé de conception est mis en œuvre par ordinateur de sorte que le procédé peut être qualifié de procédé assisté par ordinateur. Un tel procédé est souvent désigné sous l’appellation procédé de CAO ou procédé de CAD, l’abréviation de CAO renvoyant à la dénomination française et l’abréviation de CAD renvoyant à la dénomination anglaise de « Computer Aided Design ».The design process is implemented by computer so that the process can be called a computer-aided process. Such a process is often referred to as CAD process or CAD process, the abbreviation of CAO referring to the French name and the abbreviation of CAD referring to the English name of “Computer Aided Design”.
Le procédé de conception correspond également à un procédé de mise au point d’une électrode négative.The design process also corresponds to a process for developing a negative electrode.
L’électrode négative est destinée à faire partie d’un élément électrochimique d’une batterie 50 telle que représentée de manière très schématique à la figure 3.The negative electrode is intended to be part of an electrochemical element of a battery 50 as shown very schematically in Figure 3.
Une batterie est un assemblage de plusieurs éléments électrochimiques.A battery is an assembly of several electrochemical elements.
La batterie 50 de la figure 3 est une batterie lithium-ion.Battery 50 in Figure 3 is a lithium-ion battery.
Dans l’exemple, par commodité, seul un élément électrochimique 52 de la batterie 50 est représenté sachant que le procédé est applicable pour tout nombre d’élément(s) électrochimique(s) 52.In the example, for convenience, only one electrochemical element 52 of the battery 50 is represented knowing that the method is applicable for any number of electrochemical element(s) 52.
Un élément électrochimique permet d’emmagasiner l’énergie électrique fournie par une réaction chimique et de la restituer sous forme de courant.An electrochemical element stores the electrical energy provided by a chemical reaction and releases it in the form of current.
Un élément électrochimique comprend classiquement au moins cinq éléments: une électrode négative, une électrode positive, un séparateur, un électrolyte, ainsi que des collecteurs de courant pour chaque électrode.An electrochemical element conventionally comprises at least five elements: a negative electrode, a positive electrode, a separator, an electrolyte, as well as current collectors for each electrode.
L’ensemble d’une électrode négative et d’un collecteur de courant forme une anode tandis que l’ensemble d’une électrode positive et d’un collecteur de courant forme une cathode.The set of a negative electrode and a current collector forms an anode while the set of a positive electrode and a current collector forms a cathode.
En outre, l’ensemble de l’électrode négative, de l’électrode positive, du séparateur et de l’électrolyte est souvent dénommé selon l’appellation « cellule électrochimique élémentaire ».In addition, the assembly of the negative electrode, the positive electrode, the separator and the electrolyte is often referred to as the “elementary electrochemical cell”.
Ainsi, comme représenté sur la figure 3, l’élément électrochimique 52 comporte une électrode négative 54, un premier collecteur de courant 56, une électrode positive 58, un deuxième collecteur de courant 60 et un séparateur poreux imbibé d’électrolyte 62.Thus, as shown in Figure 3, the electrochemical element 52 comprises a negative electrode 54, a first current collector 56, a positive electrode 58, a second current collector 60 and a porous separator soaked in electrolyte 62.
L’électrode négative 54 du premier élément électrochimique 52 est l’électrode négative 54 sur laquelle le procédé de conception est utilisé.The negative electrode 54 of the first electrochemical element 52 is the negative electrode 54 on which the design method is used.
L’électrode négative 54 de la figure 3 est une électrode présentant une tension en circuit ouvert relativement plate en fin de charge.The negative electrode 54 of FIG. 3 is an electrode having an open circuit voltage relatively flat at the end of the charge.
La tension en circuit ouvert est souvent désignée par l’acronyme OCV qui renvoie à la dénomination anglaise de « Open Circuit Voltage ».The open circuit voltage is often designated by the acronym OCV which refers to the English name of “Open Circuit Voltage”.
Dans le cadre du présent exemple, la tension en circuit ouvert OCV est mesurée en déchargeant l’élément électrochimique 52 de 1% à 5% de sa capacité C et en mesurant le potentiel après un temps de repos de 5 heures. Le cycle de décharge et de repos en partant d’un élément électrochimique chargé est reproduit jusqu’à la décharge complète de l’élément électrochimique tout en maintenant la température à 25°C. La variation de la tension en circuit ouvert OCV en fonction de l’état de charge de l’élément électrochimique est ainsi obtenue en reportant les différentes mesures effectuées sur un graphique.In the context of this example, the open circuit voltage OCV is measured by discharging the electrochemical element 52 from 1% to 5% of its capacity C and measuring the potential after a rest time of 5 hours. The cycle of discharge and rest starting from a charged electrochemical element is reproduced until the complete discharge of the electrochemical element while maintaining the temperature at 25°C. The variation of the open circuit voltage OCV as a function of the state of charge of the electrochemical element is thus obtained by plotting the various measurements carried out on a graph.
Par l’expression « une tension en circuit ouvert relativement plate en fin de charge », il est entendu que la tension en circuit ouvert présente une valeur constante à 30 mV près lorsque la charge de l’électrode négative 54 est comprise entre 70% et 90% de la charge maximale de l’électrode négative 54.By the expression “an open circuit voltage relatively flat at the end of charging", it is understood that the open circuit voltage has a constant value to within 30 mV when the charge of the negative electrode 54 is between 70% and 90% of the maximum charge of the electrode negative 54.
Un exemple d’électrode négative 54 présentant une telle propriété est une électrode réalisée en un matériau comportant du graphite et du silicium.An example of a negative electrode 54 exhibiting such a property is an electrode made of a material comprising graphite and silicon.
Un graphe montrant la variation en fonction de la charge de l’élément électrochimique 52 de la tension en circuit ouvert d’une électrode négative 54 consistant en un mélange de graphite et de silicium est proposé à la figure 4 et montre bien qu’une telle électrode présente une tension en circuit ouvert relativement plate en fin de charge.A graph showing the variation as a function of the charge of the electrochemical element 52 of the open circuit voltage of a negative electrode 54 consisting of a mixture of graphite and silicon is proposed in FIG. 4 and clearly shows that such a electrode has an open circuit voltage relatively flat at the end of the charge.
En variante, l’électrode négative 54 est réalisée en graphite.Alternatively, the negative electrode 54 is made of graphite.
Le premier collecteur de courant 56 est un élément tel qu’un plot, une plaque, une feuille ou autre en un matériau suffisamment conducteur pour assurer le transport électronique, léger, fin, mécaniquement résistant pour servir de substrat à l’électrode négative 54.The first current collector 56 is an element such as a pad, a plate, a sheet or other in a sufficiently conductive material to ensure electronic transport, light, fine, mechanically resistant to serve as a substrate for the negative electrode 54.
Par exemple, le premier collecteur de courant 56 est un feuillet métallique en fer, cuivre, aluminium, nickel, titane ou acier inoxydable.For example, the first current collector 56 is a metal sheet of iron, copper, aluminum, nickel, titanium or stainless steel.
De préférence, le premier collecteur de courant 56 est un feuillet métallique en cuivre.Preferably, the first current collector 56 is a copper foil.
La cathode consiste en un support conducteur utilisé comme deuxième collecteur de courant 60 qui est revêtu d’une couche contenant le matériau actif cathodique et généralement, en outre, un liant et un matériau conducteur électronique.The cathode consists of a conductive support used as a second current collector 60 which is coated with a layer containing the cathodic active material and generally, in addition, a binder and an electronically conductive material.
L’électrode positive 58 présente une tension en circuit ouvert ayant une pente en fin de charge.Positive electrode 58 has an open circuit voltage having a slope at the end of the load.
Par l’expression « une tension en circuit ouvert ayant une pente en fin de charge », il est entendu que la tension en circuit ouvert présente une valeur évoluant de plus de 100 milliVolts (mV) lorsque la charge de l’élément électrochimique 52 est comprise entre 80% et 100%.By the expression “an open circuit voltage having a slope at the end of charging", it is understood that the open circuit voltage has a value changing by more than 100 milliVolts (mV) when the charge of the electrochemical element 52 is between 80% and 100%.
Dans ce contexte, 100% correspond à l’état de charge typique de l’élément électrochimique 52 permettant de garantir sa durée de vie dans l’application, par exemple 4,1 Volts (V) à 4,2 V pour des éléments de type Graphite / NCA. L’acronyme NCA désigne des oxydes lithié de nickel, cobalt et aluminium.In this context, 100% corresponds to the typical state of charge of the electrochemical element 52 making it possible to guarantee its service life in the application, for example 4.1 Volts (V) to 4.2 V for elements of Graphite / NCA type. The acronym NCA stands for lithium oxides of nickel, cobalt and aluminium.
Un exemple d’électrode positive 58 présentant une telle propriété est une électrode réalisée en un oxyde lithié de nickel, manganèse et cobalt.An example of a positive electrode 58 exhibiting such a property is an electrode made of a lithiated oxide of nickel, manganese and cobalt.
La figure 5 illustre graphiquement un exemple de variation de la tension en circuit ouvert d’une telle électrode positive 58 et montre bien qu’une telle électrode présente une tension en circuit ouvert ayant une pente en fin de charge.Figure 5 graphically illustrates an example of variation of the open circuit voltage of such a positive electrode 58 and clearly shows that such an electrode has an open circuit voltage having a slope at the end of the load.
En plus des matériaux actifs précités, le matériau de l’électrode positive 58 comporte usuellement également des liants ou des éléments améliorant la conductivité électronique.In addition to the aforementioned active materials, the material of the positive electrode 58 usually also comprises binders or elements improving the electronic conductivity.
Le deuxième collecteur de courant 60 est un élément tel qu’un plot, une plaque, une feuille ou autre en un matériau suffisamment conducteur pour assurer le transport électronique, léger, fin, mécaniquement résistant pour servir de substrat à l’électrode positive 58.The second current collector 60 is an element such as a pad, a plate, a sheet or other in a sufficiently conductive material to ensure electronic transport, light, fine, mechanically resistant to serve as a substrate for the positive electrode 58.
Par exemple, le deuxième collecteur de courant 60 est un feuillet métallique en fer, cuivre, aluminium, nickel, titane ou acier inoxydable.For example, the second current collector 60 is a metallic sheet of iron, copper, aluminum, nickel, titanium or stainless steel.
De préférence, le deuxième collecteur de courant 60 est un feuillet métallique en aluminium.Preferably, the second current collector 60 is an aluminum foil.
L’électrolyte 62 est composé de différents sels ioniques apportant des ions servant aux réactions de stockage de charges ou faradique comme des sels de lithium, et d’un solvant ou d’un mélange de solvants pour permettre la solubilisation des ions.The electrolyte 62 is composed of different ionic salts providing ions used for charge storage reactions or faradaic such as lithium salts, and a solvent or a mixture of solvents to allow the solubilization of the ions.
De préférence, les sels ioniques sont choisis parmi le perchlorate de lithium LiClO4, l'hexafluorophosphate de lithium LiPF6, le tétrafluoroborate de lithium LiBF4, le trifluorométhanesulfonate de lithium LiCF3SO3, le bis(fluorosulfonyl)imide de lithium Li(FSO2)2N (LiFSI), le trifluorométhanesulfonimide de lithium LiN(CF3SO2)2(LiTFSI), le trifluorométhanesulfoneméthide de lithium LiC(CF3SO2)3(LiTFSM), le bisperfluoroéthylsulfonimide de lithium LiN(C2F5SO2)2(LiBETI), le 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl) imidazolide de lithium (LiTDI), le bis(oxalatoborate) de lithium (LiBOB), le lithium difluorooxalatoborate de lithium (LiDFOB), le tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate de lithium LiPF3(CF2CF3)3(LiFAP) et les mélanges des précédents.Preferably, the ionic salts are chosen from lithium perchlorate LiClO 4 , lithium hexafluorophosphate LiPF 6 , lithium tetrafluoroborate LiBF 4 , lithium trifluoromethanesulfonate LiCF 3 SO 3 , lithium bis(fluorosulfonyl)imide Li( FSO 2 ) 2 N (LiFSI), lithium trifluoromethanesulfonimide LiN(CF 3 SO 2 ) 2 (LiTFSI), lithium trifluoromethanesulfonemethide LiC(CF 3 SO 2 ) 3 (LiTFSM), lithium bisperfluoroethylsulfonimide LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 (LiBETI), lithium 4,5-dicyano-2- (trifluoromethyl) imidazolide (LiTDI), lithium bis(oxalatoborate) (LiBOB), lithium difluorooxalatoborate (LiDFOB), tris Lithium (pentafluoroethyl)trifluorophosphate LiPF 3 (CF 2 CF 3 ) 3 (LiFAP) and mixtures of the above.
De préférence, le solvant est un solvant ou un mélange de solvants choisi parmi les solvants organiques usuels notamment les carbonates cycliques saturés, les carbonates cycliques insaturés, les carbonates non cycliques, les esters d'alkyle, comme les formiates, les acétates, les propionates ou les butyrates, les éthers, les lactones comme la gammabutyrolactone, le bioxyde de tétrahydrothiofène, les solvants nitriles, et les mélanges de ceux-ci. Parmi les carbonates cycliques saturés, on peut citer par exemple le carbonate d'éthylène (EC), le carbonate de fluoroéthylène (FEC), le carbonate de propylène (PC), le carbonate de butylène (BC), et les mélanges de ceux-ci. Parmi les carbonates cycliques insaturés, on peut citer par exemple le carbonate de vinylène (VC), ses dérivés et les mélanges de ceux-ci. Parmi les carbonates non cycliques, on peut citer par exemple le carbonate de diméthyle (DMC), le carbonate de diéthyle (DEC), le carbonate de méthyle éthyle (EMC), le carbonate de dipropyle (DPC) et les mélanges de ceux-ci.Preferably, the solvent is a solvent or a mixture of solvents chosen from the usual organic solvents, in particular saturated cyclic carbonates, unsaturated cyclic carbonates, non-cyclic carbonates, alkyl esters, such as formates, acetates, propionates or butyrates, ethers, lactones such as gammabutyrolactone, tetrahydrothiofen dioxide, nitrile solvents, and mixtures thereof. Among the saturated cyclic carbonates, mention may be made, for example, of ethylene carbonate (EC), fluoroethylene carbonate (FEC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and mixtures of these. this. Among the unsaturated cyclic carbonates, mention may be made, for example, of vinylene carbonate (VC), its derivatives and mixtures thereof. Among the non-cyclic carbonates, mention may be made, for example, of dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), methyl ethyl carbonate (EMC), dipropyl carbonate (DPC) and mixtures thereof. .
On peut aussi trouver, en plus faible proportion, l’acétate de méthyle ou le formate de méthyle, l’acétonitrile, le tetrahydrofurane ou encore le gamma-butyrolactone, et des mélanges binaires ou ternaires, voire même quaternaires de ceux-ci, ainsi que des liquides ioniques.One can also find, in smaller proportion, methyl acetate or methyl formate, acetonitrile, tetrahydrofuran or even gamma-butyrolactone, and binary or ternary, or even quaternary mixtures of these, as well than ionic liquids.
L’électrolyte 62 est formé en imprégnant un film avec des pores, le film étant le séparateur. Le séparateur a plusieurs rôles, à savoir isoler les électrodes négative 54 et positive 58 l’une de l’autre, maintenir l’électrolyte 62 tout en lui fournissant un passage de circulation ionique et bloquer le passage du courant électrique en présence d’une température excessive par un bouchage des pores.Electrolyte 62 is formed by impregnating a film with pores, the film being the separator. The separator has several roles, namely isolating the negative 54 and positive 58 electrodes from each other, maintaining the electrolyte 62 while providing it with a passage for ion circulation and blocking the passage of electric current in the presence of a excessive temperature by clogging of the pores.
En référence à la figure 2, le procédé de conception comporte deux phases P1 et P2 : une phase de d’optimisation P1 et une phase de fabrication P2.With reference to Figure 2, the design process comprises two phases P1 and P2: an optimization phase P1 and a manufacturing phase P2.
La phase d’optimisation P1 vise à optimiser au moins un paramètre caractérisant l’électrode négative 54.The optimization phase P1 aims to optimize at least one parameter characterizing the negative electrode 54.
La phase d’optimisation P1 correspond ainsi à une phase de détermination des valeurs d’un jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative 54.The optimization phase P1 thus corresponds to a phase for determining the values of a set of parameters relating to the negative electrode 54.
Selon l’exemple décrit, la phase d’optimisation P1 comporte une première étape de fourniture E100, une deuxième étape de fourniture E110 et une étape d’optimisation E120.According to the example described, the optimization phase P1 comprises a first supply step E100, a second supply step E110 and an optimization step E120.
Lors de la première étape de fourniture E100, il est fourni des valeurs initiales pour les paramètres relatifs à l’élément électrochimique 52.During the first supply step E100, initial values are supplied for the parameters relating to the electrochemical element 52.
Les paramètres relatifs à l’élément électrochimique 52 sont les paramètres caractérisant (ou relatifs à) chaque composant de l’élément électrochimique 52.The parameters relating to the electrochemical element 52 are the parameters characterizing (or relating to) each component of the electrochemical element 52.
Dans le présent cas, les paramètres relatifs à l’élément électrochimique 52 sont les paramètres de l’électrode négative 54, les paramètres de l’électrode positive 56 et les paramètres d’utilisation de l’élément électrochimique 52.In this case, the parameters relating to the electrochemical element 52 are the parameters of the negative electrode 54, the parameters of the positive electrode 56 and the parameters of use of the electrochemical element 52.
Les paramètres d’une électrode considérés pour le procédé d’optimisation sont les paramètres permettant de fabriquer l’électrode. De tels paramètres de fabrication sont appelés dans la suite jeu de paramètres.The parameters of an electrode considered for the optimization process are the parameters making it possible to manufacture the electrode. Such manufacturing parameters are referred to below as a set of parameters.
Les paramètres relatifs à l’élément électrochimique 52 comprennent les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative 54 et les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode positive 56.The parameters relating to the electrochemical element 52 include the parameters of the set of parameters relating to the negative electrode 54 and the parameters of the set of parameters relating to the positive electrode 56.
Les paramètres sont la densité du matériau formant l’électrode, la fraction de porosité du dépôt (coating) formant l’électrode, le grammage de l’électrode, l’épaisseur de l'électrode et la capacité (Ah) de l’électrode.The parameters are the density of the material forming the electrode, the porosity fraction of the deposit (coating) forming the electrode, the weight of the electrode, the thickness of the electrode and the capacity (Ah) of the electrode .
Un paramètre d’utilisation de l’élément électrochimique 52 est un paramètre permettant de connaître la manière dont l’élément électrochimique 52 est chargé.A parameter of use of the electrochemical element 52 is a parameter making it possible to know the way in which the electrochemical element 52 is charged.
Dans l’exemple proposé, les paramètres d’utilisation sont les limites hautes et basses de tension à laquelle l’élément électrochimique 52 est chargé.In the proposed example, the operating parameters are the high and low voltage limits at which the electrochemical element 52 is charged.
Selon l’exemple proposé, la première étape de fourniture E100 est mise en œuvre par réception de données saisies par l’utilisateur du système 14 sur le dispositif d’entrée 30.According to the example proposed, the first supply step E100 is implemented by receiving data entered by the user of the system 14 on the input device 30.
Lors de la deuxième étape de fourniture E110, il est fourni une valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique 52 jusqu’à la fin d’un intervalle de temps d’utilisation de l’élément électrochimique 52.During the second supply step E110, an electrical performance value is provided to be respected by the electrochemical element 52 until the end of a time interval of use of the electrochemical element 52.
Autrement formulé, la valeur de performance est à respecter par l’élément électrochimique 52 pendant tout l’intervalle de temps d’utilisation.Otherwise formulated, the performance value is to be respected by the electrochemical element 52 throughout the entire time interval of use.
L’intervalle de temps d’utilisation est supérieur ou égal à un an.The interval of use time is greater than or equal to one year.
Selon d’autres exemples, l’intervalle de temps d’utilisation est supérieur ou égal à 3 ans, de préférence supérieur ou égal à 5 ans et encore préférentiellement supérieur ou égal à 8 ans.According to other examples, the time interval of use is greater than or equal to 3 years, preferably greater than or equal to 5 years and even more preferably greater than or equal to 8 years.
Plus généralement, l’intervalle de temps d’utilisation dépendra de l’application souhaitée pour la batterie 50.More generally, the time interval of use will depend on the desired application for the battery 50.
Selon l’exemple proposé, la performance électrique est la densité d’énergie.According to the proposed example, the electrical performance is the energy density.
La densité d’énergie est la puissance d’énergie produite par l’élément électrochimique 52 ramenée à la masse de l’élément électrochimique 52 et s’exprime selon les cas en Watt.heure par litre (Wh/l) ou en Watt.heure par kilogramme (Wh/kg).The energy density is the power of energy produced by the electrochemical element 52 reduced to the mass of the electrochemical element 52 and is expressed depending on the case in Watt.hour per liter (Wh/l) or in Watt. hour per kilogram (Wh/kg).
En variante, la performance électrique est la capacité de la batterie 50.Alternatively, the electrical performance is the battery capacity 50.
Selon l’exemple proposé, la deuxième étape de fourniture E110 est mise en œuvre par réception de données saisies par l’utilisateur du système 14 sur le dispositif d’entrée 30.According to the proposed example, the second supply step E110 is implemented by receiving data entered by the user of the system 14 on the input device 30.
Selon une variante, la valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique 52 à l’instant souhaité est déduite de la valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique 52, par exemple par une division par le nombre d’éléments chimiques.According to a variant, the electrical performance value to be observed by the electrochemical element 52 at the desired instant is deduced from the electrical performance value to be observed by the electrochemical element 52, for example by a division by the number of elements chemicals.
Lors de l’étape d’optimisation E120, il est optimisé une valeur d’au moins un paramètre parmi le jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative 54 à l’aide d’une technique d’optimisation.During the optimization step E120, a value of at least one parameter from among the set of parameters relating to the negative electrode 54 is optimized using an optimization technique.
La technique d’optimisation est appliquée avec les autres paramètres présentant une évolution temporelle fixée, par exemple une valeur constante égale à la valeur initiale du paramètre.The optimization technique is applied with the other parameters having a fixed temporal evolution, for example a constant value equal to the initial value of the parameter.
La technique d’optimisation comporte l’utilisation d’un modèle de vieillissement MV associant aux paramètres relatifs à l’élément électrochimique 52 l’évolution temporelle de la performance électrique de l’élément électrochimique 52.The optimization technique includes the use of an aging model MV associating the parameters relating to the electrochemical element 52 with the evolution over time of the electrical performance of the electrochemical element 52.
Selon l’exemple proposé, le modèle de vieillissement MV est un modèle selon lequel la performance électrique de l’élément électrochimique 52 est donnée par l’évolution temporelle de l’interface solide-électrolyte (SEI).According to the example proposed, the aging model MV is a model according to which the electrical performance of the electrochemical element 52 is given by the temporal evolution of the solid-electrolyte interface (SEI).
En effet, le principal mécanisme de vieillissement des éléments électrochimiques avec une électrode au graphiteest la croissance de la SEI. L’acronyme SEI renvoie à la dénomination anglaise de « Solid Electrolyte Interface » signifiant littéralement interface électrolyte solide. La SEI est un produit dérivé formé par réduction avec le lithium (Li+) de l’électrolyte (généralement LiPF6) et de ses solvants. En notant S le ou les solvants, cela revient à dire que le lithium présent dans l’électrode négative réagit avec le solvant S selon la réaction chimique LiC6+S → C6+SLi. Le composé SLi correspond à la SEI. La composition de la SEI est ainsi complexe (dérivés organiques et inorganiques de lithium) puisqu’elle dépend des espèces présentes.Indeed, the main aging mechanism of electrochemical elements with a graphite electrode is the growth of SEI. The acronym SEI refers to the English name of “Solid Electrolyte Interface” literally meaning solid electrolyte interface. SEI is a by-product formed by reduction with lithium (Li+) of the electrolyte (generally LiPF 6 ) and its solvents. By noting S the solvent or solvents, this amounts to saying that the lithium present in the negative electrode reacts with the solvent S according to the chemical reaction LiC 6 +S → C 6 +SLi. The compound SLi corresponds to SEI. The composition of SEI is thus complex (organic and inorganic derivatives of lithium) since it depends on the species present.
La formation initiale de la SEI produit une diminution rapide de la quantité de lithium cyclable. Une SEI formée initialement a un effet protecteur pour l’électrode négative (puisqu’elle protège le graphite des invasions d’espèces autres que le lithium) ainsi que pour l’électrolyte (puisqu’elle protège l’électrolyte de la réduction).The initial formation of SEI produces a rapid decrease in the amount of cycling lithium. An SEI formed initially has a protective effect for the negative electrode (since it protects the graphite from invasion by species other than lithium) as well as for the electrolyte (since it protects the electrolyte from reduction).
La croissance de la SEI est continue tout au long de la vie de la batterie car le rôle protecteur de la SEI n’est pas parfait : la réaction de réduction de l’électrolyte continue à se produire. La conséquence est une diminution de la capacité par consommation du lithium cyclable et une augmentation de l’impédance (diminution de la conductivité ionique).The growth of SEI is continuous throughout the life of the battery because the protective role of SEI is not perfect: the electrolyte reduction reaction continues to occur. The consequence is a decrease in capacity by consumption of cycling lithium and an increase in impedance (decrease in ionic conductivity).
La capacité est la quantité de charge électrique qui peut circuler dans un circuit électrique à partir d’une batterie initialement chargée jusqu’à la décharger complètement. Lorsque la capacité est rapportée à la masse, elle est dénommée capacité spécifique et volumique lorsqu’elle est rapportée au volume.Capacity is the amount of electrical charge that can flow through an electrical circuit from an initially charged battery until it is completely discharged. When the capacitance is related to the mass, it is called specific capacity and voluminal when it is related to the volume.
Par ailleurs, les conditions de stockage de la batterie (température etSoCélevés) et l’évolution des espèces dérivées (acidification de l’électrolyte ou dissolution de métaux provenant de l’électrode positive) peuvent dégrader la SEI.Furthermore, the battery storage conditions (temperature and high SoC ) and the evolution of derived species (acidification of the electrolyte or dissolution of metals from the positive electrode) can degrade the SEI.
Dans un tel scénario, la capacité diminue alors au même rythme que le lithium cesse d’être cyclable pour faire partie de la SEI. Ainsi, dans un scénario où la formation de la SEI est le principal mécanisme, lorsque l’électrode négative n’est pas limitante, la variation de la capacité de l’élément électrochimique sera la même que la variation du stock de lithium. Dans ces conditions, la capacité de l’élément électrochimique 52 se dégrade à la même vitesse que la vitesse de la réaction de formation de la SEI précédemment explicitée.In such a scenario, capacity then decreases at the same rate as lithium ceases to be cyclable to become part of the SEI. Thus, in a scenario where the formation of the SEI is the main mechanism, when the negative electrode is not limiting, the change in the capacity of the electrochemical cell will be the same as the change in the lithium stock. Under these conditions, the capacitance of the electrochemical element 52 degrades at the same rate as the rate of the SEI formation reaction explained above.
La vitesse de réaction chimique dépend à son tour de multiples paramètres et pas seulement de la température. En particulier, la vitesse d’une réaction chimique dépend de la concentration des espèces, de la pression, de la présence de catalyseurs ou de la surface de contact.The rate of chemical reaction depends in turn on multiple parameters and not only on temperature. In particular, the rate of a chemical reaction depends on the concentration of the species, the pressure, the presence of catalysts or the contact surface.
Des études expérimentales ont montré qu’une loi de variation du type
Un premier exemple de modèle de vieillissement MV est ainsi une décroissance de la capacité de l’élément électrochimique 52 avec une vitesse de décroissance donnée par une loi de variation du type
Dans un tel exemple, les coefficients
D’autres types de variation peuvent être utilisés pour décrire la vitesse de la réaction chimique de formation de la SEI pour ainsi obtenir un modèle selon lequel la performance électrique de l’élément électrochimique 52 est donnée par l’évolution temporelle de l’interface solide-électrolyte (SEI).Other types of variation can be used to describe the rate of the chemical reaction forming the SEI to thus obtain a model according to which the electrical performance of the electrochemical element 52 is given by the temporal evolution of the solid interface. -electrolyte (SEI).
Par ailleurs, de nombreux autres modèles de vieillissement MV sont envisageables pour la technique d’optimisation.In addition, many other MV aging models are possible for the optimization technique.
Selon un deuxième exemple, le modèle de vieillissement MV est un modèle selon lequel la performance électrique de l’élément électrochimique 52 est donnée par l’évolution temporelle de la quantité de lithium inséré dans le graphite s’oxydant par réduction dans l’électrolyte.According to a second example, the aging model MV is a model according to which the electrical performance of the electrochemical element 52 is given by the temporal evolution of the quantity of lithium inserted in the graphite oxidizing by reduction in the electrolyte.
Un tel modèle de vieillissement MV est un modèle souvent qualifié de modèle LLI, l’acronyme LLI renvoie à la dénomination anglaise de « Loss of Lithium Inventory » signifiant littéralement inventaires des pertes de Lithium.Such an aging model MV is a model often qualified as an LLI model, the acronym LLI refers to the English name of “Loss of Lithium Inventory” literally meaning inventories of Lithium losses.
Le deuxième exemple de modèle de vieillissement MV prend en compte d’autres phénomènes comme la déposition de lithium (plus souvent désignée sous la dénomination anglaise de « lithium plating »). Ce mécanisme consiste à une métallisation de la surface de l’électrode par déposition du lithium pendant la recharge. Il est activé à haut régime de charge, ou alors quand l’impédance de la batterie est élevée (basses températures, batterie dégradée).The second example of MV aging model takes into account other phenomena such as lithium deposition (more often referred to as “lithium plating”). This mechanism consists of metallization of the surface of the electrode by deposition of lithium during charging. It is activated at high charge rate, or when the impedance of the battery is high (low temperatures, degraded battery).
Lorsque deux mécanismes de vieillissement agissent sur le vieillissement de l’élément électrochimique 52, la formulation d’un modèle de vieillissement peut se compliquer. Dans des conditions normales d’utilisation, ces deux mécanismes de déposition de lithium et de formation de la SEI agissent à des températures bien différentes. Le premier mécanisme est prédominant à hautes températures et peut être modélisé par une loi d’Arrhenius. Par contre, le mécanisme de déposition de lithium a un comportement inverse à la loi d’Arrhenius puisqu’il est plus important à des températures plus froides. De ce fait, il est possible d’utiliser deux lois d’Arrhenius, une par mécanisme, avec la particularité d’une loi à énergie d’activation négative pour le mécanisme de déposition de lithium.When two aging mechanisms act on the aging of the electrochemical element 52, the formulation of an aging model can become complicated. Under normal conditions of use, these two mechanisms of lithium deposition and SEI formation act at very different temperatures. The first mechanism is predominant at high temperatures and can be modeled by an Arrhenius law. On the other hand, the lithium deposition mechanism has a behavior opposite to the Arrhenius law since it is more important at colder temperatures. As a result, it is possible to use two Arrhenius laws, one per mechanism, with the particularity of a negative activation energy law for the lithium deposition mechanism.
Selon un troisième exemple, le modèle de vieillissement MV est un modèle empirique sans hypothèse sur le mécanisme de vieillissement avec un coefficient d’accélération qui est multiplié par une fonction dépendante du temps. Un tel troisième exemple suppose un ajustement préalable du modèle de vieillissement MV.According to a third example, the aging model MV is an empirical model without assumptions on the aging mechanism with an acceleration coefficient which is multiplied by a time-dependent function. Such a third example assumes a prior adjustment of the aging model MV.
Selon d’autres exemples, le modèle de vieillissement MV est un modèle choisi dans la littérature, par exemple dans l’article de Christoph R. Birkl et al. intitulé «Degradation diagnostics for lithium ion cells» paru dans la revue Journal of Power Sources en 2017 aux pages 373 à 386.According to other examples, the MV aging model is a model chosen from the literature, for example in the article by Christoph R. Birkl et al. entitled “ Degradation diagnostics for lithium ion cells ” published in the Journal of Power Sources in 2017 on pages 373 to 386.
Selon encore d’autres exemples, le modèle de vieillissement MV est évalué expérimentalement. Pour une telle détermination, il est possible d’utiliser les techniques développées dans l’article de N. Legrand et al. intitulé «Physical characterization of the charging process of a Li-ion battery and prediction of Li plating by electrochemical modelling» paru dans la revue Journal of Power Sources en 2014 aux pages 208 à 216.According to still other examples, the aging model MV is evaluated experimentally. For such a determination, it is possible to use the techniques developed in the article by N. Legrand et al. entitled “ Physical characterization of the charging process of a Li-ion battery and prediction of Li plating by electrochemical modeling ” published in the journal Journal of Power Sources in 2014 on pages 208 to 216.
La technique d’optimisation est mise en œuvre sous la contrainte que l’élément électrochimique 52 présente la valeur de performance électrique à respecter jusqu’à la fin de l’intervalle de temps d’utilisation.The optimization technique is implemented under the constraint that the electrochemical element 52 has the electrical performance value to be observed until the end of the time interval of use.
Cela signifie que l’élément électrochimique 52 peut présenter des performances initiales légèrement supérieures ou identiques à la valeur de performance électrique à respecter.This means that the electrochemical element 52 may have initial performance slightly higher than or identical to the electrical performance value to be observed.
Ceci permet de laisser un degré de liberté complémentaire pour l’élément électrochimique 52, et plus spécifiquement l’électrode négative 54.This makes it possible to leave an additional degree of freedom for the electrochemical element 52, and more specifically the negative electrode 54.
Le vieillissement de l’élément électrochimique 52 peut ainsi comporter une phase de montée en charge (qui correspond dans l’exemple décrit à un accroissement de la tension) permettant de maintenir la performance au cours du temps au lieu de prendre une marge de sécurité initiale assurant que la valeur de performance électrique à respecter le soit en permanence. Autrement formulé, un tel élément électrochimique 52 n’aura pas d’instant au cours de vie où sa valeur de performance électrique sera bien supérieure à la valeur de performance électrique à respecter.The aging of the electrochemical element 52 can thus include a load rise phase (which corresponds in the example described to an increase in voltage) making it possible to maintain the performance over time instead of taking an initial safety margin. ensuring that the electrical performance value to be met is maintained at all times. Otherwise formulated, such an electrochemical element 52 will not have a time during its life when its electrical performance value will be much higher than the electrical performance value to be respected.
Selon un exemple, la technique d’optimisation consiste à faire varier un seul paramètre, le paramètre étant, par exemple, l’épaisseur de l’électrode négative 54 et à calculer la meilleure valeur.According to one example, the optimization technique consists in varying a single parameter, the parameter being, for example, the thickness of the negative electrode 54 and in calculating the best value.
Il est ainsi obtenu une valeur optimisée pour le paramètre.This results in an optimized value for the parameter.
Selon une variante, la technique d’optimisation est utilisée pour faire varier deux paramètres.According to a variant, the optimization technique is used to vary two parameters.
La technique d’optimisation utilise alors une fonction de coût, par exemple donnée par une technique de moindre carré.The optimization technique then uses a cost function, for example given by a least squares technique.
Selon l’exemple proposé, deux grandeurs sont variables : l’épaisseur de l’électrode négative 54 et la tension maximale de charge de l’élément électrochimique 52.According to the proposed example, two quantities are variable: the thickness of the negative electrode 54 and the maximum charging voltage of the electrochemical element 52.
Plus spécifiquement, il est proposé d’optimiser l’épaisseur de l’électrode négative 54 en imposant que la tension maximale de l’élément électrochimique 52 présente au cours du temps une première valeur puis une deuxième valeur, la deuxième valeur étant strictement supérieure à la première valeur.More specifically, it is proposed to optimize the thickness of the negative electrode 54 by imposing that the maximum voltage of the electrochemical element 52 has over time a first value then a second value, the second value being strictly greater than the first value.
Par exemple, la tension maximale de l’élément électrochimique 52 est une fonction constante par morceaux, c’est-à-dire que la tension maximale vaut une première valeur, par exemple 4,0 V, puis une deuxième valeur, par exemple 4,2 V.For example, the maximum voltage of the electrochemical element 52 is a piecewise constant function, that is to say that the maximum voltage is worth a first value, for example 4.0 V, then a second value, for example 4 .2V.
Il en résulte les représentations des figures 6 et 7 correspondant à une représentation schématique des capacités des électrodes respectivement à l’instant initial, et à la fin de l’intervalle de temps d’utilisation.This results in the representations of FIGS. 6 and 7 corresponding to a schematic representation of the capacities of the electrodes respectively at the initial instant, and at the end of the time interval of use.
Dans chaque figure, les contributions à la capacité de l’électrode négative 54 sont représentées sur le diagramme de gauche tandis que les contributions à la capacité de l’électrode positive 58 sont représentées sur le diagramme de droite.In each figure, the contributions to the capacitance of the negative electrode 54 are shown in the diagram on the left while the contributions to the capacitance of the positive electrode 58 are shown in the diagram on the right.
Dans le cas de la figure 6, la contribution de la SEI correspondent à la SEI après l’étape dite de formation permettant de créer la SEI initiale pour l’électrode négative 54 est repérée par le signe de référence 80 et la position irréversible de l’électrode positive 58 est repérée par le signe de référence 82.In the case of FIG. 6, the contribution of the SEI correspond to the SEI after the so-called formation step making it possible to create the initial SEI for the negative electrode 54 is identified by the reference sign 80 and the irreversible position of the positive electrode 58 is identified by the reference sign 82.
Pour le cas de la figure 7, la contribution de la SEI est partagée en une contribution liée au vieillissement repérée par le signe de référence 84 et une contribution liée à la formation de SEI repérée par le signe de référence 86.For the case of FIG. 7, the contribution of the SEI is divided into a contribution linked to aging identified by the reference sign 84 and a contribution linked to the formation of SEI identified by the reference sign 86.
Les niveaux de tension maximale et de tension minimale pour la charge et la décharge sont représentés par les traits à 2,7 V et 4,0 V dans la figure 6.The maximum voltage and minimum voltage levels for charging and discharging are represented by the lines at 2.7 V and 4.0 V in Figure 6.
Dans cette même figure, il apparaît bien que l’électrode négative 54 présente un excédent de charge permettant de garantir la stabilité de l’élément électrochimique 52 en fonctionnement.In this same figure, it clearly appears that the negative electrode 54 has an excess of charge making it possible to guarantee the stability of the electrochemical element 52 in operation.
En outre, le niveau de tension de 4,2 V est représenté en pointillés pour montrer que l’électrode négative 54 ne présente pas au début une capacité permettant un fonctionnement à cette tension.Furthermore, the voltage level of 4.2 V is shown in dotted lines to show that the negative electrode 54 does not initially have a capacity allowing operation at this voltage.
Similairement, les niveaux de tension maximale et de tension minimale pour la charge et la décharge sont représentés par les traits à 2,7 V et 4,2 V dans la figure 6.Similarly, the maximum voltage and minimum voltage levels for charging and discharging are represented by the lines at 2.7 V and 4.2 V in Figure 6.
Dans cette même figure, il apparaît bien que l’électrode négative 54 présente un excédent de charge permettant de garantir la stabilité de l’élément électrochimique 52 en fonctionnement. La présence de l’excédent de charge est liée à la plus grande contribution de la SEI à la capacité de l’électrode négative 54, ce qui a pour effet d’augmenter la capacité globale de l’électrode négative 54.In this same figure, it clearly appears that the negative electrode 54 has an excess of charge making it possible to guarantee the stability of the electrochemical element 52 in operation. The presence of the excess charge is related to the greater contribution of the SEI to the capacitance of the negative electrode 54, which has the effect of increasing the overall capacitance of the negative electrode 54.
En outre, le niveau de tension de 4,0 V est représenté en pointillés pour montrer que l’électrode négative 54 présente une capacité effective moindre du fait du vieillissement qu’il faut compenser par un passage de la première valeur (4,0 V) à la deuxième valeur (4,2 V).In addition, the voltage level of 4.0 V is shown in dotted lines to show that the negative electrode 54 has a lower effective capacity due to aging which must be compensated for by a passage from the first value (4.0 V ) to the second value (4.2 V).
Le passage de la première valeur à la deuxième valeur a, par exemple, lieu à la moitié de l’intervalle de temps d’utilisation.The transition from the first value to the second value takes place, for example, at half the time interval of use.
Un tel exemple particulier exploite le fait que l’augmentation en tension maximale de l’élément électrochimique 52 compense le vieillissement de l’élément électrochimique 52 tout en permettant de réduire la capacité initiale de l’électrode négative 54.Such a particular example exploits the fact that the increase in maximum voltage of the electrochemical element 52 compensates for the aging of the electrochemical element 52 while making it possible to reduce the initial capacity of the negative electrode 54.
D’autres variations plus complexes de la tension maximale de l’élément électrochimique 52 peuvent être envisagées comme une variation linéaire entre la première valeur et la deuxième valeur.Other more complex variations of the maximum voltage of the electrochemical element 52 can be envisaged as a linear variation between the first value and the second value.
Dans tous les cas, à l’issue de l’étape d’optimisation E120, il est obtenu un jeu de paramètres optimisé pour l’électrode négative 54, le jeu de paramètres étant l’ensemble des valeurs finales de chaque paramètre, la valeur finale étant soit la valeur initiale en l’absence d’application de l’optimisation audit paramètre soit la valeur optimisée.In any case, at the end of the optimization step E120, an optimized set of parameters is obtained for the negative electrode 54, the set of parameters being the set of final values of each parameter, the value final being either the initial value in the absence of application of the optimization to said parameter or the optimized value.
Lors de la phase de fabrication, l’unité de fabrication 16 fabrique l’électrode négative 54 présentant les valeurs du jeu de paramètres optimisé.During the manufacturing phase, the manufacturing unit 16 manufactures the negative electrode 54 presenting the values of the optimized set of parameters.
Un tel procédé permet d’obtenir un élément électrochimique ou une batterie 50 respectant des contraintes de fonctionnement, ici une performance électronique au bout d’un intervalle de temps d’utilisation supérieur ou égal à un an.Such a method makes it possible to obtain an electrochemical element or a battery 50 respecting operating constraints, here an electronic performance after a period of use greater than or equal to one year.
Le procédé propose de concevoir l’électrode négative 54 pour qu’en début de vie, une formation à la tension suffisante est réalisée initialement pour maintenir la performance voulue au temps souhaité. Plus précisément, la batterie 50 est chargée à une tension initiale en début de vie et la tension est remontée progressivement en suivant le modèle de vieillissement MV pour obtenir la tension maximale au bout de l’intervalle de temps d’utilisation.The method proposes to design the negative electrode 54 so that at the beginning of its life, sufficient voltage training is carried out initially to maintain the desired performance at the desired time. More specifically, the battery 50 is charged to an initial voltage at the start of its life and the voltage is gradually increased following the aging model MV to obtain the maximum voltage at the end of the interval of use time.
Autrement formulé, le procédé propose de charger à plus basse tension l’élément électrochimique 52 pour réduire le vieillissement (la formation de SEI dans l’exemple proposé).Otherwise formulated, the method proposes to charge the electrochemical element 52 at a lower voltage to reduce aging (the formation of SEI in the proposed example).
Un tel procédé permet d’obtenir si le paramètre variable pour l’électrode négative 54 est l’épaisseur un gain de l’ordre de 15% ce qui correspond à un gain en coût de l’ordre de 4 à 5%.Such a method makes it possible to obtain, if the variable parameter for the negative electrode 54 is the thickness, a gain of the order of 15%, which corresponds to a cost gain of the order of 4 to 5%.
D’autres gains seraient bien entendu obtenus pour des paramètres variables différents.Other gains would of course be obtained for different variable parameters.
La fabrication de l’électrode négative 54 est, dans chacun de ces cas, facilitée.The manufacture of the negative electrode 54 is, in each of these cases, facilitated.
Le procédé permettant d’obtenir une batterie 50 respectant des contraintes de fonctionnement et qui soit de fabrication plus aisée par une conception astucieuse de l’électrode négative 54 prenant mieux en compte l’utilisation souhaitée pour la batterie 50.The method making it possible to obtain a battery 50 respecting operating constraints and which is easier to manufacture by a clever design of the negative electrode 54 taking better account of the desired use for the battery 50.
Il est, en outre, à noter que le présent procédé s’étend aisément à des électrodes négatives 54 présentant des variations différentes de l’OCV.It should also be noted that the present method easily extends to negative electrodes 54 having different variations of the OCV.
Par exemple, l’électrode négative 54 peut être réalisée en silicium qui présente un OCV moins plat en fin de charge qu’une électrode en graphite.For example, the negative electrode 54 can be made of silicon which has a less flat OCV at the end of charging than a graphite electrode.
Similairement au cas présenté, il y a une réduction de la capacité de l’électrode négative 54 en utilisant une gestion spécifique de l’élément électrochimique 52, à savoir une tension réduite pour l’élément électrochimique 52 en début d’utilisation puis une augmentation progressive de la tension suivant le vieillissement de l’élément électrochimique 52.Similar to the case presented, there is a reduction in the capacity of the negative electrode 54 by using a specific management of the electrochemical element 52, namely a reduced voltage for the electrochemical element 52 at the start of use then an increase progressive voltage following the aging of the electrochemical element 52.
De même, l’application du procédé à des électrodes de batteries lithium-fer-phosphate (LFP) ou lithium-fer-manganèse-phosphate (LFMP) peut être envisagée même si l’OCV présente un ou plusieurs plateaux.Similarly, application of the process to lithium-iron-phosphate (LFP) or lithium-iron-manganese-phosphate (LFMP) battery electrodes can be considered even if the OCV has one or more plates.
Dans un tel cas, il est à noter que la tension de fin de charge ne peut plus servir d’indicateur de fin de charge. A la place, il convient d’utiliser d’autres méthodes de détection, comme une méthode de détection du changement de volume de l’élément électrochimique en fonction de son état de charge ou une méthode acoustique.In such a case, it should be noted that the end of charge voltage can no longer be used as an end of charge indicator. Instead, other detection methods should be used, such as a method of detecting the change in volume of the electrochemical element as a function of its state of charge or an acoustic method.
En variante, il est possible d’utiliser la tension mais en repérant un autre événement comme le saut de tension lié à l’insertion dans le graphite du lithium.As a variant, it is possible to use the voltage but by locating another event such as the voltage jump linked to the insertion in the graphite of the lithium.
Ainsi, selon un autre mode de réalisation, l’électrode positive 58 est réalisée en un mélange d’oxyde de nickel, manganèse et cobalt et de LiFePO4.Thus, according to another embodiment, the positive electrode 58 is made of a mixture of nickel, manganese and cobalt oxide and LiFePO 4 .
Plus généralement, il est possible de réaliser l’électrode positive 58 en un matériau comprenant au moins un élément choisi dans la liste constituée des oxydes lithiés de nickel, manganèse et cobalt, des oxydes de nickel, cobalt et aluminium et de LiFePO4.More generally, it is possible to make the positive electrode 58 from a material comprising at least one element chosen from the list consisting of lithiated nickel, manganese and cobalt oxides, nickel, cobalt and aluminum oxides and LiFePO 4 .
L’extension à des électrodes de batterie lithium-titanate (LTO) est aussi possible pourvu que le mécanisme de consommation du lithium soit majoritaire.Extension to lithium-titanate (LTO) battery electrodes is also possible provided that the lithium consumption mechanism is predominant.
Plus généralement, le procédé est applicable à tout élément électrochimique 52 pour lequel le mécanisme de consommation du lithium, soit via SEI soit via lithium plating ou une combinaison des deux, est le mécanisme principal de vieillissement.
More generally, the method is applicable to any electrochemical element 52 for which the lithium consumption mechanism, either via SEI or via lithium plating or a combination of the two, is the main aging mechanism.
Claims (15)
- la fourniture de valeurs initiales pour les paramètres relatifs à l’élément électrochimique (52), les paramètres relatifs à l’élément électrochimique (52) comprenant les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative (54),
- la fourniture d’une valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique (52) jusqu’à la fin d’un intervalle de temps d’utilisation de l’élément électrochimique (52), l’intervalle de temps d’utilisation étant supérieur ou égal à un an,
- au moins une optimisation d’une valeur d’au moins un paramètre parmi le jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative (54) à l’aide d’une technique d’optimisation, les autres paramètres présentant une évolution temporelle fixée, par exemple une valeur constante égale à la valeur initiale du paramètre, la technique d’optimisation comportant l’utilisation d’un modèle de vieillissement (MV) associant aux paramètres relatifs à l’élément électrochimique (52) la performance électrique de l’élément électrochimique (52) et la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que l’élément électrochimique (52) présente la valeur de performance électrique à respecter jusqu’à la fin de l’intervalle de temps d’utilisation, pour obtenir une valeur optimisée pour chaque paramètre optimisé,
le jeu de paramètres optimisé étant l’ensemble des valeurs finales de chaque paramètre, la valeur finale étant soit la valeur initiale en l’absence d’application de l’optimisation audit paramètre soit la valeur optimisée.Method for designing a negative electrode (54) of an electrochemical cell (52), in particular a lithium-ion battery (50), the method for designing being implemented by computer, the method comprising a phase of optimization of the values of a set of parameters relating to the negative electrode (54), to obtain an optimized set of parameters, the optimization phase comprising:
- the supply of initial values for the parameters relating to the electrochemical element (52), the parameters relating to the electrochemical element (52) comprising the parameters of the set of parameters relating to the negative electrode (54),
- the supply of an electrical performance value to be respected by the electrochemical element (52) until the end of a time interval of use of the electrochemical element (52), the time interval of use being greater than or equal to one year,
- at least one optimization of a value of at least one parameter from among the set of parameters relating to the negative electrode (54) using an optimization technique, the other parameters having a fixed evolution over time, for example a constant value equal to the initial value of the parameter, the optimization technique comprising the use of an aging model (MV) associating the parameters relating to the electrochemical element (52) with the electrical performance of the element electrochemical element (52) and the optimization technique being implemented under the constraint that the electrochemical element (52) has the electrical performance value to be respected until the end of the period of use, in order to obtain an optimized value for each optimized parameter,
the set of optimized parameters being the set of final values of each parameter, the final value being either the initial value in the absence of application of the optimization to said parameter or the optimized value.
- un système (14) propre à optimiser des valeurs d’un jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative (54) pour obtenir un jeu de paramètres optimisé en interaction avec un produit programme d’ordinateur (12), le système (14) étant propre à :
- recevoir des valeurs initiales pour les paramètres relatifs à l’élément électrochimique (52), les paramètres relatifs à l’élément électrochimique (52) comprenant les paramètres du jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative (54),
- recevoir une valeur de performance électrique à respecter par l’élément électrochimique (52) jusqu’à la fin d’un intervalle de temps d’utilisation de l’élément électrochimique (52), l’intervalle de temps d’utilisation étant supérieur ou égal à un an,
- optimiser une valeur d’au moins un paramètre parmi le jeu de paramètres relatifs à l’électrode négative (54), les autres paramètres présentant une évolution temporelle fixée, par exemple une valeur constante égale à la valeur initiale du paramètre, à l’aide d’une technique d’optimisation, la technique d’optimisation comportant l’utilisation d’un modèle de vieillissement associant aux paramètres relatifs à l’élément électrochimique (52) l’évolution temporelle de la performance électrique de l’élément électrochimique (52) et la technique d’optimisation étant mise en œuvre sous la contrainte que l’élément électrochimique (52) présente la valeur de performance électrique à respecter jusqu’à la fin de l’intervalle de temps d’utilisation, pour obtenir une valeur optimisée pour chaque paramètre optimisé,
le jeu de paramètres optimisé étant l’ensemble des valeurs finales de chaque paramètre, la valeur finale étant soit la valeur initiale en l’absence d’application de l’optimisation audit paramètre soit la valeur optimisée, et
- une unité de fabrication (16) propre à fabriquer l’électrode négative (54) présentant les valeurs du jeu de paramètre optimisé.Design assembly (10) suitable for designing a negative electrode (54) of an electrochemical element (52), in particular of a lithium-ion battery (50), the design assembly (10) comprising:
- a system (14) capable of optimizing values of a set of parameters relating to the negative electrode (54) to obtain an optimized set of parameters in interaction with a computer program product (12), the system (14 ) being specific to:
- receiving initial values for the parameters relating to the electrochemical element (52), the parameters relating to the electrochemical element (52) comprising the parameters of the set of parameters relating to the negative electrode (54),
- receiving an electrical performance value to be respected by the electrochemical element (52) until the end of a time interval of use of the electrochemical element (52), the time interval of use being greater or equal to one year,
- optimizing a value of at least one parameter from among the set of parameters relating to the negative electrode (54), the other parameters having a fixed evolution over time, for example a constant value equal to the initial value of the parameter, at the using an optimization technique, the optimization technique comprising the use of an aging model associating the parameters relating to the electrochemical element (52) with the evolution over time of the electrical performance of the electrochemical element ( 52) and the optimization technique being implemented under the constraint that the electrochemical element (52) has the electrical performance value to be respected until the end of the time interval of use, to obtain a value optimized for each optimized parameter,
the optimized set of parameters being the set of final values of each parameter, the final value being either the initial value in the absence of application of the optimization to said parameter or the optimized value, and
- a manufacturing unit (16) able to manufacture the negative electrode (54) having the values of the optimized parameter set.
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| YANG XIAO-GUANG ET AL: "Modeling of lithium plating induced aging of lithium-ion batteries: Transition from linear to nonlinear aging", JOURNAL OF POWER SOURCES, ELSEVIER SA, CH, vol. 360, 7 June 2017 (2017-06-07), pages 28 - 40, XP085135252, ISSN: 0378-7753, DOI: 10.1016/J.JPOWSOUR.2017.05.110 * |
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| FR3110286B1 (en) | 2023-12-29 |
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