Modelling and experimental analysis of the electrochemical impedance of a lithium ion battery

This work deals with the topic of lithium ion battery technology, an energy storage device born in the early 80's with the discovery of lithium ions host materials. In the last years this technology has seen a spreading of its application span through different sectors; from the consumer electronics, in which it has been the power source of choice for many years, to the transportation sector and to the stationary application for grid support. Electric energy storage technologies are one the most important topic in the energy sector, due to the disruptive role they can assume in power markets, allowing an efficient penetration of renewable energies in the grid and reduction of greenhouse gas emissions. To make them competitive with current technologies dominating the automotive and power generation markets, an increase in performance and lifetime is crucial; this is also the case for lithium ion batteries. For this purpose physic-based models represent a powerful tool, both for an improvement of the understanding of physical phenomena and to develop management systems. This work is focused on the development of a physic-based electrochemical impedance spectroscopy (EIS) model; EIS is an in-situ technique able to distinguish the contribution of reaction kinetics and mass transport to the overall losses of the system. The model domain is one dimensional; the results obtained from the software Comsol are post-processed by means of Fast Fourier Transformation (FFT) to obtain the impedance spectrum. The model development is supported by a dedicated experimental campaign on a commercial battery.

Il presente lavoro di tesi è incentrato sulle batterie agli ioni di litio, una tecnologia nata negli anni 80 grazie alla scoperta di materiali in grado di ospitare ioni di litio all’interno del loro reticolo cristallino in maniera reversibile. Questa tecnologia negli ultimi anni ha visto crescere il suo campo di applicazione; dal settore dell’elettronica di consumo in cui rappresenta lo standard tecnologico, a quello dei trasporti e delle applicazioni stazionarie, come supporto alla rete elettrica. Le tecnologie per l’accumulo di energia elettrica rappresentano una componente di grande importanza nel settore energetico, poiché hanno il potenziale di cambiare radicalmente la strutture dei mercati dell’energia, permettendo una efficiente penetrazione delle fonti rinnovabili e la riduzione delle emissioni di gas serra. Affinché l’accumulo di energia elettrica diventi competitivo con le tecnologie che attualmente dominano il settore dei trasporti e della generazione di potenza, è necessario un miglioramento delle prestazioni e della vita utile. Anche le batterie agli ioni di litio necessitano di ulteriore sviluppo per affermarsi definitivamente in questi mercati. In questo senso i modelli fisici rappresentano uno strumento importante sia per migliorare la comprensione dei fenomeni fisici, sia per programmare una migliore gestione dei sistemi. Questo lavoro è focalizzato sullo sviluppo di un modello fisico per la spettroscopia di impedenza elettrochimica; questa tecnica in-situ consente di separare gli effetti della cinetica di reazione e del trasporto di massa e dunque capire l'origine delle perdite all'interno del sistema. Il dominio del modello è monodimensionale; i risultati ottenuti dal software Comsol vengono analizzati tramite trasformata di Fourier veloce (FFT) per calcolare lo spettro di impedenza. Lo sviluppo del modello è accompagnato da una campagna sperimentale dedicata su una cella commerciale.