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Habilitation À Diriger Des Recherches Year : 2013

Management and Components for Advanced Lead-Acid Batteries

Gestion et Composants pour Accumulateurs au Plomb Avancés

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Abstract

The manuscript presents a series of works aimed to optimise the performance of the valve-regulated lead-acid battery (VRLAB) in terms of lifetime and energy and power density. The first direction includes the development of various battery management solutions based on the detailed comprehension of the lead-acid battery electrochemistry. The oxygen recombination current and the oxygen cycle efficiency were measured using a custom-made gassing rate monitoring system. The correlation between the proposed model and the measured data showed that the oxygen cycle is gas-diffusion limited process. It is demonstrated that the integration of reference electrodes for positive plate potential regulation during the charge is one of the best strategies for control over the oxygen cycle and prevention of the thermal runaway phenomenon. Further, the mechanism of the pulse charge of the lead-acid battery was studied separately on the positive and on the negative plate using electrochemical impedance spectroscopy. It is concluded that the pulse charge with a frequency close or equal to the characteristic frequency of the charge reaction leads to an electrochemical resonance corresponding to a maximum of the charge acceptance. The impact of the electrolyte on the positive plate electrochemistry is studied on small-scale “Planté” electrodes and on traction positive plates. It is found that sulphuric acid electrolytes with concentration higher than 5mol/l cause a passivation of the lead dioxide electrode. QCM electrode studies revealed that the passivation is caused by a solid-state PbO2 reduction mechanism taking place with proton insertion. The improvement of the specific power and energy of the battery was accomplished by the replacement of the traditional grids with innovative carbon honeycomb current collectors. They offer high ratio between the surface area of the grid and the quantity of the active materials as well as excellent compatibility with the AGM technology.
Ce mémoire présente un recueil de travaux ciblant l’amélioration des performances des accumulateurs au plomb étanches de type AGM-VRLAB en termes de la duré de vie et de densités de puissance et d’énergie. La première direction comprend le développent de solutions de gestion (BMS) basées sur l’électrochimie détaillée de la batterie. Le courant lié à la recombinaison de l’oxygène et l’efficacité du cycle de l’oxygène ont été mesurés à l’aide d’un système de mesure du dégazage pendant le cyclage et la surcharge de l’accumulateur. La corrélation entre le modèle proposé et les données expérimentales a montré que la réaction de recombinaison est limitée par la diffusion de l’oxygène. J’ai montré que l’utilisation des électrodes de référence intégrées aux cellules d’accumulateurs est une très bonne stratégie de contrôle du cycle de l’oxygène qui permet d’avoir une prévention continue contre les risques d’emballement thermique en fin de charge. J’ai pu montrer qu’une charge galvanique pulsée effectuée à une fréquence proche de la fréquence caractéristique de la réaction de transfert de charge de l’électrode positive ou négative permettait d’obtenir une acceptance de charge optimale par un effet de « résonance électrochimique ». L’impact de l’électrolyte sur l’électrochimie du système PbO2/PbSO4/H2SO4 a été étudié sur des électrodes de type « Planté » ainsi que sur des plaques positives d’accumulateurs de type « traction ». J’ai prouvé que pour électrolytes de concentration supérieure à 5mol/L le dioxyde de plomb devient passif. Des études effectuées par méthode couplée EQCM ont révélé que la passivation est liée à la réaction de réduction de PbO2 en phase solide provenant d’une insertion des protons dans le volume des particules de PbO2. Finalement, l’amélioration de la puissance et de l’énergie de l’accumulateur au plomb a été obtenue via le remplacement des grilles traditionnelles par des collecteurs de courant de carbone en nid d’abeille possédant une grande surface géométrique.
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tel-03579565 , version 1 (18-02-2022)

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  • HAL Id : tel-03579565 , version 1

Cite

Angel Kirchev. Management and Components for Advanced Lead-Acid Batteries. Theoretical and/or physical chemistry. Université de Grenoble, 2013. ⟨tel-03579565⟩

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