ED Sciences Chimiques
Développement d'une méthode innovante du test abusif au clou afin d'être représentatif d'un court-circuit interne d'un élément Lithium-ion.
par Jordan SETTA (ICMCB - Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux)
Cette soutenance a lieu à 13h30 - Salle Campanule Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques (INERIS), Parc technologique Alata, 5 Rue Jacques Taffanel, 60550 Verneuil-en-Halatte
devant le jury composé de
- Dany CARLIER-LARREGARAY - Professeure des universités - Université de Bordeaux - Directeur de these
- Rémi VINCENT - Ingénieur de recherche - CEA - Rapporteur
- Sara ABADA - Ingénieure de recherche - IFP Energies nouvelles - Examinateur
- Cyril AYMONIER - Directeur de recherche - CNRS - Examinateur
- Jean-Michel VINASSA - Professeur des universités - Bordeaux INP - Examinateur
- Marcos BATISTELLA - Maître de conférences - IMT Mines Alès - Rapporteur
Cette thèse s'intéresse à la compréhension des mécanismes physiques, électriques et thermiques gouvernant la formation, le maintien et l'extinction des courts-circuits internes induits par pénétration au clou dans les batteries lithium-ion. Celle-ci propose un état de l'art consacré aux batteries lithium-ion et aux courts-circuits internes. Les différentes typologies de défauts, leurs origines ainsi que leurs conséquences thermiques et sécuritaires y sont détaillées. Une analyse critique des méthodes expérimentales utilisées dans la littérature est également proposée. Afin d'étudier l'impact d'un court-circuit interne sur une batterie Lithium-ion, un dispositif de pénétration par clou a été conçu afin de permettre un contrôle précis des paramètres expérimentaux et l'acquisition simultanée des grandeurs électriques et thermiques. L'influence des paramètres mécaniques -vitesse de pénétration, diamètre du clou et angle de pointe- a été étudiée afin d'optimiser la reproductibilité des essais. Les résultats montrent que la géométrie du clou influence fortement les résistances de contact, l'intensité du courant et les échauffements générés. Des analyses post-mortem reposant sur la séparation contrôlée des matières actives d'électrodes ont également été développées en s'appuyant en particulier sur la microscopie, afin d'identifier les zones de contact et les dégradations associées. Les essais réalisés sur empilements secs mettent en évidence plusieurs régimes dépendant de la nature des électrodes en contact et de la résistivité locale du défaut. Une étude comparative entre différentes architectures montre que la géométrie de l'empilement (ici l'épaisseur des électrodes) influence la stabilité du court-circuit et la dissipation thermique. Les travaux réalisés mettent également en évidence des comportements de type « effet fusible », conduisant à une extinction spontanée du défaut, et une valeur seuil de résistivité a pu être estimée expérimentalement. Des essais en présence d'un solvant électrolytique sans sel de lithium révèlent une modification des transferts thermiques, des résistances de contact et une dégradation de la cathode. Enfin, les essais sur cellules actives montrent des élévations thermiques nettement supérieures en raison de phénomènes électrochimiques additionnels. L'influence de la position de pénétration et de l'état de charge sur la sévérité du défaut a également été démontrée. Les travaux s'intéressent aussi à la contribution relative des anodes, des cathodes et du séparateur. Les configurations anodiques (Anode-Séparateur-Anode) conduisent aux régimes les plus sévères, associés à des courants élevés et des échauffements importants, tandis que les configurations cathodiques (Cathode-Séparateur-Cathode) présentent majoritairement des événements transitoires de type «effet fusible». Des électrodes élaborées à l'échelle laboratoire, incluant des configurations inversant la configuration classique des matériaux : la matière active anodique a été déposée sur un collecteur de courant en aluminium, tandis que la matière active cathodique a été déposée sur un collecteur en cuivre ont été réalisées. Les essais sur ces configurations montrent que l'«effet fusible» apparaît davantage comme un phénomène local couplé aux propriétés thermo-électriques des matériaux et à l'évolution des interfaces de contact. Enfin, des analyses morphologiques, thermiques et thermo-mécaniques des séparateurs montrent que leurs propriétés jouent un rôle déterminant dans le maintien ou l'extinction du court-circuit, en conditionnant localement la conservation de l'isolement électrique des électrodes. L'ensemble de ces travaux contribue à une meilleure compréhension des mécanismes de courts-circuits internes et apporte des éléments déterminants à l'amélioration de la sécurité des batteries, de la conception de cellules plus robustes face aux agressions mécaniques et thermiques, au développement de stratégies de prévention des défaillances critiques.
ED Sciences Physiques et de l'Ingénieur
Nouvelles sources laser hybrides ultrarapides au-delà de 2 μm
par Hussein TOFAILI (Laboratoire Photonique, Numérique & Nanosciences)
Cette soutenance a lieu à 9h30 - Amphithéatre André Ducasse Institut d'Optique d'Aquitaine (IOA), 1 Rue François Mitterrand, 33400 Talence
devant le jury composé de
- Eric CORMIER - Professeur des universités - Université de Bordeaux - Directeur de these
- Jacob MACKENZIE - Associate Professor - University of Southampton - Rapporteur
- Ammar HIDEUR - Professeur des universités - Université de Rouen Normandie - Rapporteur
- Philippe GRELU - Professeur des universités - Université Bourgogne Europe - Examinateur
- Alphan SENNAROGLU - Professeur des universités - Koç University - Examinateur
Les impulsions picosecondes de haute énergie dans la région spectrale autour de 2 µm suscitent un intérêt croissant comme sources de pompage pour l'amplification paramétrique optique à dérive de fréquence (OPCPA) dans le moyen infrarouge, à base de ZnGeP₂ et d'autres cristaux non-oxydes apparentés, qui sous-tendent des applications en physique des champs forts, génération d'harmoniques d'ordre élevé, spectroscopie moléculaire et télédétection. Cette thèse étudie une architecture hybride fibre-massif d'amplification d'impulsions à dérive de fréquence (CPA) à 2050 nm basée sur le Ho:YLF, alliant la caractérisation du milieu à gain, la modélisation numérique et la mise en œuvre expérimentale jusqu'au régime picoseconde, à plusieurs dizaines de microjoules. Après un chapitre introduisant le cadre théorique de la propagation des impulsions ultracourtes, de la dispersion et des effets non linéaires pertinents pour la CPA, le travail expérimental commence par la sélection et la caractérisation du Ho:YLF comme milieu à gain massif. Des mesures de petit signal en absorption et en gain sont effectuées sur deux cristaux Ho:YLF taillés selon l'axe a (dopés à 1 at.% et 0,75 at.%) pour les polarisations π et σ sur la plage 1980–2100 nm, et les sections efficaces d'absorption et d'émission sont extraites des données de transmission via la loi de Beer–Lambert et la relation de réciprocité de McCumber. Un modèle d'équations de population spatialement résolu et auto-cohérent d'un amplificateur Ho:YLF continu en double passage est ensuite développé. Il couple un solveur 3D anisotrope de l'équation de la chaleur, incluant les contributions photoélastiques anisotropes à la lentille thermique, à une propagation de faisceau par paramètre q astigmatique à travers un milieu à gradient d'indice (GRIN) distribué. Le modèle est validé sur des mesures en régime continu à raie fine, puis étendu sous une formulation large bande spectralement résolue qui rend compte du rétrécissement par le gain et de la mise en forme spectrale des impulsions d'amorçage dans le régime quasi-continu. La contribution expérimentale centrale est un système CPA hybride associant un étage frontal fibre-CPA (étireur à réseau de Bragg en volume à pas variable (CVBG), deux amplificateurs à fibre codopée Tm:Ho, modulateur acousto-optique (AOM) à fibre intégrée pour la sélection d'impulsions) à un amplificateur massif Ho:YLF à deux bras (premier bras en double passage, second bras en simple passage) et à un compresseur CVBG apparié, dans une configuration linéaire sans amplificateur régénératif. Le système délivre 28 µJ d'énergie par impulsion comprimée à une cadence de 1 MHz, correspondant à une puissance moyenne de 28 W, avec une durée d'impulsion de 2,95 ps (à seulement 4 % au-dessus de la limite de Fourier) et une puissance crête d'environ 8,2 MW. Une étude dédiée de la réponse thermique du compresseur CVBG identifie sa dérive en dispersion comme la principale source résiduelle d'instabilité de la durée des impulsions comprimées. Deux chapitres complémentaires viennent clore le manuscrit. Le premier décrit un laser à fibre codopée Tm,Ho continu et accordable en continu (1966–2117 nm, environ 210 mW à 2050 nm), réalisé en interne et utilisé comme source d'amorçage pour la caractérisation des cristaux Ho:YLF. Le second présente des résultats préliminaires sur un laser à fibre à solitons à gestion d'énergie adapté à une fibre à large aire modale codopée Tm–Ho, démontrant un fonctionnement à verrouillage de modes à 2046 nm comme architecture candidate de source d'amorçage à basse cadence pour une future opération à haute énergie.