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Gilles Brenet

Simulations multi-échelles de la cinétique dans les matériaux pour l'énergie : le silicium solaire et les composés d'intercalation pour les batteries lithium-ions

Publié le 16 mai 2016


Thèse soutenue le 16 mai 2016 pour obtenir le grade de doctorat de la Communauté Université Grenoble Alpes - Spécialité : Physique des matériaux

Résumé :
La production et le stockage de l'énergie est un grand défi de notre société. Les propriétés de certains matériaux sont dues principalement aux défauts qu'ils contiennent. Afin d'améliorer les matériaux que nous utilisons, il est nécessaire de pouvoir les modéliser. Ce travail est centré sur l'étude de divers défauts dans deux matériaux, le silicium et le graphite lithié. Au travers de la simulation multi-échelles, nous modélisons les défauts et leur cinétique, afin de pouvoir prédire leur formation mais aussi leur vieillissement.
La première partie est centrée sur les différentes méthodes que nous avons employées. Ces méthodes sont réparties dans trois catégories, qui donnent accès chacune à une échelle de simulation. En démarrant sur des modèles électroniques et des simulations textit{ab initio}, nous avons pu mener des simulations atomistiques grâce à des algorithme stochastiques. Ces résultats ont ensuite mené vers des modèles macroscopiques, afin de pouvoir les comparer aux résultats expérimentaux.
La seconde partie développe nos analyse sur les défauts ponctuels dans le silicium : carbones, oxygènes, lacunes et interstitiels. Ces défauts se regroupent et forment des complexes dans le silicium irradié. En analysant le comportement de ces complexes à l'échelle atomique, nous avons pu construire un modèle permettant de simuler la cinétique de multiples défauts, ainsi que la chaîne de réactions, sur plusieurs dizaines d'années. Ainsi, il est possible de déterminer les conditions permettant un meilleur contrôle de la formation et du vieillissement des complexes.
La dernière partie présente l'analyse du graphite lithié. Ce composant de base des batteries lithium-ion est du graphite dans lequel s'intercale des atomes de lithium lors de la charge. La cinétique de la charge prédit le regroupement des atomes en îles, qui se déplacent lors de la charge. La propagation des atomes de lithium des bords de l'électrode vers le centre du graphite est également analysé.

Jury :
Président : Monsieur Noël Jakse
Rapporteur : Madame Marie-Liesse Doublet
Rapporteur : Monsieur Guy Tréglia
Examinateur : Monsieur Frédéric Soisson
Directeur de thèse : Monsieur Pascal Pochet
Co-Directeur de thèse : Monsieur Damien Caliste

Mots clés :
Batterie, Lithium, Graphite, Silicium

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