Stages

Application de la méthode des points matériels (MPM) à la modélisation de phénomènes mécano-chimiques dans les batteries
Direction Physico-chimie et Mécanique appliquées

Type de contrat
Stage

Début
mars 2027

Durée
6 mois

Région
Auvergne et Rhône-Alpes

Indemn / Rém
Oui

ref R1721S

IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un organisme public de recherche, d’innovation et de formation dont la mission est de développer des technologies performantes, économiques, propres et durables dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement.

IFPEN met à disposition de ses chercheurs un environnement de recherche stimulant, avec des équipements de laboratoire et des moyens de calcul très performants.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Application de la "méthode des points matériels" (MPM) à la modélisation de phénomènes mécano-chimiques dans les batteries

Stage de Master / Projet de Fin d’Etude (PFE) recherche 2027

Description du sujet :

Les batteries Li-ion jouent aujourd’hui un rôle clé dans de très nombreuses technologies, et en particulier dans l’electrification des usages (mobilité, stockage d’électricité) indispensable pour le développement d’une société plus durable et moins émettrice de CO₂. Une nouvelle génération de ces batteries, dites « tout solide » car l’électrolyte liquide y est remplacé par un matériau solide, font l’objet d’une recherche intense dans la mesure où elle permettrait de faire progresser la performance et la sécurité de ces batteries.

Une des difficultés rencontrées dans le développement des batteries « tout solide » concerne le comportement de l’électrode négative, que l’on souhaiterait constituer de lithium métallique pour maximiser la densité énergétique du système. Malheureusement, ces électrodes ont tendance à former des dépôts irréguliers, voire des dendrites, des structures filamentaires susceptibles de traverser l’électrolyte solide et de provoquer un court-circuit qui engendre la destruction de la batterie. Ce phénomène complexe, couplant électrochimie, processus de diffusion, et mécanique est particulièrement difficile à modéliser (par exemple par des simulations éléments finis « phase field » [1]).

La méthode des points matériels (MPM) est une méthode numérique permettant de modéliser le comportement mécanique de systèmes variés, fluides ou solides. Cette méthode présente des caractéristiques hybrides entre méthodes s’appuyant sur un maillage (comme la méthode des éléments finis, FEM), et les méthodes discrètes (méthode des éléments discrets, DEM). En effet, dans ces simulations, la matière est représentée sous forme de points matériels discrets, entourés d’un maillage fixe servant à calculer les grandeurs d’intérêts (efforts, déformations…) et actualiser en retour la position des points matériels. Ce caractère hybride rend cette méthode particulièrement attrayante pour modéliser des problèmes en grandes déformation (pour lesquels les méthodes éléments finis rencontrent des problèmes de distorsion de maillage), tout en s’abstrayant des difficultés liées à la gestion des contacts entre éléments que rencontrent les méthodes discrètes [2].

L’objectif du stage est d’explorer la faisabilité d’une simulation MPM du phénomène de propagation de dendrites dans un électrolyte solide. Le stagiaire devra prendre en main un code de simulation MPM open source (Kratos [3], Karamelo [4], Uintah [5] …), puis progressivement l’adapter au problème d’intérêt, en intégrant au fur et à mesure les éléments nécessaires : couplages de modèles de diffusion et d’électrochimie avec le modèle mécanique MPM, gestion du dépôt ou de la disparition de la phase lithium, puis de la propagation d’une dendrite par pénétration de l’électrolyte.

Dans le cadre de ce stage l’étudiant/l’étudiante pourra :

Découvrir des problématiques liées au développement des batteries Li-ion.
Prendre en main un code mettant en œuvre une méthode numérique originale, la méthode des points matériels.
Implémenter dans ce code les développements permettant la prise en compte des couplages entre mécanique, électrochimie et diffusion.
S’intéresser aux conditions de stabilité ainsi qu’à la performance de cette méthode modifiée.

Profil requis et compétences recherchées

BAC+5 (stage de 5-6 mois) – Profil mécanique et science des matériaux, intéressé par le développement de méthodes numériques. Connaissances préalables en matériaux granulaires ou en électrochimie bienvenues.

Aisance et goût pour la programmation nécessaire. Idéalement, maitrise de Python et/ou C++
Compétences : Mécanique des milieux continus, simulations numériques, aptitude à analyser des résultats, synthétiser, rédiger et communiquer. Autonomie.

Le stage se déroulera à IFP Energies nouvelles, Etablissement de Lyon, rond-point de l’échangeur de Solaize, BP3, 69360 Solaize (période : mars - août 2027). Une indemnité de l’ordre de (1 080) Euros bruts par mois sera versée au stagiaire.

Bibliographie :

[1] : Qi et al., Electrochemical-mechanical phase field modeling for lithium dendrite growth in all-solid state lithium metal batteries, Journal of Energy Chemistry 110 (2025), 80-07

[2] : Tran et al., Generalized Interpolation Material Point Method modeling of large deformation problems including strain rate effects – Applications to penetration and progressive failure problems, Computer and Geotechnics 106 (2019), 249-265

[3] : Iaconeta et al., An implicit Material Point Method applied to granular flows, Procedia Engineering 175 (2017) 226-232

[4] : de Vaucorbeil et al., Karamelo : an open source parallel C++ package for the material point method, Computational particle mechanics 8 (2021) 767-789

[5] : Guilkey, Jim, et al. "Uintah user guide." Scientific Computing and Imaging Institute, University of Utah, Salt Lake City, UT, USA, Tech. Rep. No. UUSCI-2009-007 (2009).

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Internship proposal at IFP Energies nouvelles (IFPEN)

Final year master/engineer degree in R&D 2027

Application of Material Point Method (MPM) to the modeling of mechanochemical phenomenon in Li-ion batteries

IFP Energies nouvelles (www.ifpen.fr) is a public organization for research, industrial innovation and training operating in the fields of energy, transport and the environment. Its mission is to provide public stakeholders and industry with high-performance, economical, clean and sustainable technologies to meet the three major societal challenges of the 21st century: climate change and environmental impacts, energy diversification and water resource management.

Description of the subject:

Li-ion batteries now play a key role in many technologies, and in particular in the electrification of uses (mobility, electricity storage) essential for the development of a more sustainable and less CO2-emitting society. A new generation of these batteries, called “all-solid” because the liquid electrolyte is replaced by a solid material, is the subject of intense research as it could advance the performance and safety of these batteries.

One of the difficulties encountered in the development of “all-solid” batteries concerns the behavior of the negative electrode, which should ideally be made of metallic lithium to maximize the energy density of the system. Unfortunately, these electrodes tend to form irregular deposits, or even dendrites, filamentary structures capable of crossing the solid electrolyte and causing a short circuit that leads to the destruction of the battery. This complex phenomenon, coupling electrochemistry, diffusion processes, and mechanics, is particularly difficult to model (for example by phase-field finite element simulations [1]).

The material point method (MPM) is a numerical method that allows modeling the mechanical behavior of varied systems, fluids or solids. This method has hybrid characteristics between mesh-based methods (such as the finite element method, FEM) and discrete methods (discrete element method, DEM). Indeed, in these simulations, matter is represented as discrete material points, surrounded by a fixed mesh used to calculate the quantities of interest (forces, deformations…) and in turn update the positions of the material points. This hybrid character makes this method particularly attractive for modeling problems with large deformations (for which finite element methods encounter mesh distortion problems), while abstracting from the difficulties related to the management of contacts between elements encountered by discrete methods [2].

The aim of the internship is to explore the feasibility of an MPM simulation of the dendrite propagation phenomenon in a solid electrolyte. The intern will have to take in hand an open-source MPM simulation code (Kratos [3], Karamelo [4], Uintah [5] …), then progressively adapt it to the problem of interest, gradually integrating the necessary elements: couplings of diffusion and electrochemistry models with the mechanical MPM model, management of the deposition or disappearance of the lithium phase, then the propagation of a dendrite by penetration of the electrolyte.

As part of this internship the student will be able to:

Discover issues related to the development of Li-ion batteries.
Become familiar with a code implementing an original numerical method, the material point method.
Implement in this code the developments allowing the consideration of couplings between mechanics, electrochemistry and diffusion.
Investigate the stability conditions as well as the performance of this method thus modified.

Required profile and desired skills

Master’s degree (5-year university education; 5–6-month internship) – Background in mechanics and materials science, with an interest in developing numerical methods. Prior knowledge of granular materials or electrochemistry would be an advantage.
Programming skills and an enjoyment of programming are essential. Ideally, proficiency in Python and/or C++.
Skills: Continuum mechanics, numerical simulations, ability to analyze results, synthesize information, write, and communicate. Ability to work independently.

The internship will take place at IFP Energies nouvelles, Lyon site, rond-point de l’échangeur de Solaize, BP3, 69360 Solaize, France (period: March–August 2027). The intern will receive an allowance of approximately €1,080 gross per month.

Bibliography :