Soutenance de thèse de Guilherme DALEVEDO VIANA

Le silicium est un matériau actif intéressant pour les anodes des batteries électriques Li-ion grâce à sa capacité spécifique élevée et son abondance dans la nature. Lors des cycles charge/décharge des batteries, la lithiation des particules de silicium induit une forte expansion du volume de ce matériau (300%) et un niveau élevé de contraintes, qui peuvent conduire à leur fragmentation. Ce travail est consacré à la modélisation du comportement mécanique de ce phénomène à température ambiante. D'abord, un modèle original semi-analytique en petites perturbations est présenté, modèle qui généralise la solution proposée par Seck et al. 2018 du problème de la sphère composite élastique-viscoplastique au cas d’une interface continue et mobile. Ensuite, nous réalisons la mise en œuvre de l'approche grandes transformations utilisant le tenseur de déformation de Hencky (Miehe et al. 2002) dans le code éléments finis CAST3M. La pertinence de ce modèle est établie par comparaison à des mesures par diffraction X de l’évolution des déformations élastiques affectant des particules cristallines de silicium (Tardif et al. 2017) et de germanium (Zapata et al. 2022) au cours de leur (dé)lithiation, évolution dépendant étroitement de la limite de plasticité de la coquille lithiée. Finalement, ce travail de modélisation est étendu à l'étude de deux solutions technologiques existantes pour modérer la dégradation du silicium, solutions s'appuyant sur l'utilisation des structures hybrides silicium/carbone. D'abord, nous étudions l’effet mécanique d’un revêtement de carbone (Si@C). Une nouvelle approche semi-analytique avec géométrie réactualisée a été proposée et est utilisée pour interpréter les résultats expérimentaux rapportés dans Li et al. 2016 concernant la fracture du carbone pyrolytique. Ensuite, pour simuler le comportement d’une dispersion de particules de silicium dans une matrice de carbone, nous proposons un modèle diffusion-mécanique couplé par les surfaces des particules actives tandis que les conditions aux limites pour la diffusion de lithium aux interfaces silicium/carbone dépendent de l’état (cristallin ou amorphe) des particules de silicium. Quelques résultats préliminaires ont également pu être obtenus avec ce modèle et sont présentés.

Silicon is an interesting active material for Li-ion battery anodes, thanks to its high specific capacity and abundance in nature. During battery charge/discharge cycles, the lithiation of silicon particles induces a large volume increase (300%) and a high level of stress, which can lead to its fragmentation. This work is devoted to modeling the mechanical behavior of this phenomenon at room temperature. First, an original semi-analytical small perturbation model is presented, which generalizes the solution proposed by Seck et al. 2018 of the elastic-viscoplastic composite sphere problem to the case of a continuous, moving interface. We then implement the large transformations approach using Hencky's deformation tensor (Miehe et al. 2002) in the CAST3M finite element code. The relevance of this model is established by comparison with X-ray diffraction measurements of the evolution of elastic deformations affecting crystalline particles of silicon (Tardif et al. 2017) and germanium (Zapata et al. 2022) during their (de)lithiation, an evolution closely dependent on the plasticity limit of the lithiated shell. Finally, this modeling work is extended to the study of two existing technological solutions for mitigating silicon degradation, solutions based on the use of hybrid silicon/carbon structures. First, we study the mechanical effect of a carbon coating (Si@C). A new semi-analytical approach with updated geometry has been proposed and is used to interpret the experimental results reported in Li et al. 2016 concerning pyrolytic carbon fracture. Next, to simulate the behavior of a dispersion of silicon particles in a carbon matrix, we propose a diffusion-mechanical model coupled by the surfaces of the active particles, while the boundary conditions for lithium diffusion at silicon/carbon interfaces depend on the state (crystalline or amorphous) of the silicon particles. Some preliminary results have also been obtained with this model and are presented here.