Soutenance de thèse Isaac Paten

Lundi 1 juin à 14 h 00   – Amphithéâtre Nougaro

Soutenance en Anglais 

Le modèle Doyle–Fuller–Newman (DFN) est largement utilisé pour la simulation des batteries lithium-ion. Malgré son succès, il repose sur des hypothèses simplificatrices concernant la microstructure des électrodes et peut s’avérer coûteux en temps de calcul. Cette thèse vise à pallier ces limites en exploitant la méthode de prise de moyenne volumique avec fermeture pour développer une nouvelle classe de modèles macroscopiques capables de rendre compte plus fidèlement des effets à l’échelle des pores tout en améliorant l’efficacité de calcul.

Le résultat central est un cadre bi-continuum (DC) qui intègre les informations microstructurales au moyen de problèmes de fermeture. Les modèles obtenus conservent un fondement physique rigoureux et, point essentiel, le modèle bi-continuum le plus général se réduit exactement au modèle DFN pour des géométries d’électrodes idéalisées. La confrontation avec des simulations numériques directes (DNS) démontre que l’approche proposée améliore systématiquement la précision des prédictions tout en réduisant le coût de calcul.

Plusieurs extensions du cadre bi-continuum sont développées pour en élargir le champ d’application : formulations adaptées aux conditions de fonctionnement dynamiques, prise en compte du domaine carbone-liant (CBD) et traitement des distributions hétérogènes de taille de particules. Des variantes réduites mono-continuum (SC) améliorent encore l’efficacité de calcul tout en préservant les principaux apports de l’approche bi-continuum. L’ensemble de ces modèles corrige des lacunes reconnues du cadre DFN, en particulier celles liées aux microstructures complexes des électrodes.

Par ailleurs, une technique de reconstruction utilisant les fermetures pour les perturbations est présentée afin de prédire localement l’apparition du placage de lithium sans recourir à des simulations explicites à l’échelle des pores. Cette avancée illustre le potentiel des problèmes de fermeture pour relier comportements macroscopiques et microscopiques, et ainsi prédire des phénomènes de dégradation locale au sein de modèles à coût de calcul réduit. La thèse s’achève par deux chapitres prospectifs portant sur la distribution du domaine carbone-liant et la croissance de l’interphase solide-électrolyte (SEI), qui esquissent des pistes pour des travaux futurs.

Ce travail établit un cadre systématique de changement d’échelle pour intégrer les effets microstructuraux dans les modèles de batterie en continuum, offrant une précision accrue, un coût de calcul réduit et de nouvelles capacités de prédiction de la dégradation des batteries lithium-ion.

Abstract : 

The Doyle–Fuller–Newman (DFN) model is widely used for simulating lithium-ion batteries. Despite its success, the model relies on simplifying assumptions regarding electrode microstructure and can be computationally demanding. This thesis addresses these limitations by leveraging the volume-averaging technique (VAT) to derive a new class of upscaled models that more accurately capture microscale effects while improving computational efficiency.The principal outcome is a dual-continuum (DC) framework that incorporates microstructural information through a closure problem. The resulting models retain a strong physical basis and, importantly, reduce exactly to the DFN model for idealised electrode geometries. Validation against direct numerical simulations (DNS) demonstrates that the proposed approach consistently improves predictive accuracy while reducing computational cost.

Several extensions to the DC framework are developed to broaden its applicability, including formulations that account for dynamic operating conditions, carbon-binder domain effects, and heterogeneous particle size distributions. Reduced single-continuum (SC) variants further enhance computational efficiency while preserving the key advantages of the DC approach. Collectively, these models address known shortcomings of the DFN framework, particularly those arising from complex electrode microstructures.

In addition, a closure-based reconstruction technique is presented to predict local lithium-plating onset without requiring explicit microscale simulations. This demonstrates the potential of closure problems to bridge macro- and microscale behaviour, enabling the prediction of local degradation phenomena within computationally efficient models. The thesis concludes with two perspective chapters addressing carbon-binder distribution and solid-electrolyte interphase growth, outlining avenues for future work.

Overall, this work establishes a systematic framework for incorporating microstructural effects into continuum battery models, offering improved accuracy, reduced computational cost, and new capabilities for predicting degradation in lithium-ion batteries.