Lithium ion batteries are electrochemical devices that store and deliver electrical energy due to electrochemical reactions, involving the reversible extraction and insertion of lithium ions between the electrodes together with removal and addition of electrons. They were born in the late 70’s but they became a commercial mature technology only in the 1991. Nevertheless, the progress in this technology has never stopped. Thanks to their high energy density, the cost reductions and rapid scale-up of manufacturing capacities, they are the ideal candidate for electronic devices sector, electric mobility and stationary energy storage. Nevertheless, further improvements are necessary, in term of safety, cost, energy density and degradation, to improve their performances to meet the renewable energy plants and electric vehicles requirements. The progress in modeling these devices has been parallel to the progress of the technology. The MSc thesis proposes a model able to fast simulate battery behavior in operating condition, with few insights about cell design. Consequently, a lean and non-destructive methodology of tests is developed to identify model parameters. A dedicated experimental campaign is performed on a commercial battery to validate the model and identify its limits, and possible model applications are investigated.

Le batterie agli ioni di litio sono dei dispositivi elettrochimici in grado di accumulare energia grazie a reazioni elettrochimiche, basate sulla estrazione e l’inserimento reversibile degli ioni di litio negli elettrodi, insieme all’aggiunta e la rimozione degli elettroni. Questa tecnologia è nata alla fine degli anni settanta ma si è affermata commercialmente solo nel 1991. Grazie alla loro alta densità energetica, alla riduzione del loro costo e all’incremento della loro capacità manifatturiera, sono considerate ideali per il settore dei dispositivi elettronici, della mobilità elettrica e delle applicazioni stazionarie di accumulo di energia. Ciò nonostante, ulteriori miglioramenti sono necessari, in termini di sicurezza, costo, densità di energia e degradazione, per soddisfare i requisiti richiesti dagli impianti ad energia rinnovabile ed i veicoli elettrici. Parallelamente al progresso della tecnologia, è avvenuto un progresso nella modellizzazione di questi dispositivi. In questa tesi viene proposto un modello capace di simulare velocemente il comportamento di una batteria in condizioni operative, con poche informazioni sulla struttura della batteria. Conseguentemente, viene proposta una metodologia sperimentale, snella e non distruttiva, al fine di identificare i parametri usati nel modello. Una campagna sperimentale viene effettuata su una batteria commerciale agli ioni di litio per validare il modello e testare i suoi limiti. Successivamente, possibili applicazioni del modello sono studiate.

Single particle model for a lithium ion battery : parameters, potential and limits identification

CIPOLLA, ALEX
2016/2017

Abstract

Lithium ion batteries are electrochemical devices that store and deliver electrical energy due to electrochemical reactions, involving the reversible extraction and insertion of lithium ions between the electrodes together with removal and addition of electrons. They were born in the late 70’s but they became a commercial mature technology only in the 1991. Nevertheless, the progress in this technology has never stopped. Thanks to their high energy density, the cost reductions and rapid scale-up of manufacturing capacities, they are the ideal candidate for electronic devices sector, electric mobility and stationary energy storage. Nevertheless, further improvements are necessary, in term of safety, cost, energy density and degradation, to improve their performances to meet the renewable energy plants and electric vehicles requirements. The progress in modeling these devices has been parallel to the progress of the technology. The MSc thesis proposes a model able to fast simulate battery behavior in operating condition, with few insights about cell design. Consequently, a lean and non-destructive methodology of tests is developed to identify model parameters. A dedicated experimental campaign is performed on a commercial battery to validate the model and identify its limits, and possible model applications are investigated.
CASALEGNO, ANDREA
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
19-apr-2018
2016/2017
Le batterie agli ioni di litio sono dei dispositivi elettrochimici in grado di accumulare energia grazie a reazioni elettrochimiche, basate sulla estrazione e l’inserimento reversibile degli ioni di litio negli elettrodi, insieme all’aggiunta e la rimozione degli elettroni. Questa tecnologia è nata alla fine degli anni settanta ma si è affermata commercialmente solo nel 1991. Grazie alla loro alta densità energetica, alla riduzione del loro costo e all’incremento della loro capacità manifatturiera, sono considerate ideali per il settore dei dispositivi elettronici, della mobilità elettrica e delle applicazioni stazionarie di accumulo di energia. Ciò nonostante, ulteriori miglioramenti sono necessari, in termini di sicurezza, costo, densità di energia e degradazione, per soddisfare i requisiti richiesti dagli impianti ad energia rinnovabile ed i veicoli elettrici. Parallelamente al progresso della tecnologia, è avvenuto un progresso nella modellizzazione di questi dispositivi. In questa tesi viene proposto un modello capace di simulare velocemente il comportamento di una batteria in condizioni operative, con poche informazioni sulla struttura della batteria. Conseguentemente, viene proposta una metodologia sperimentale, snella e non distruttiva, al fine di identificare i parametri usati nel modello. Una campagna sperimentale viene effettuata su una batteria commerciale agli ioni di litio per validare il modello e testare i suoi limiti. Successivamente, possibili applicazioni del modello sono studiate.
Tesi di laurea Magistrale
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