Equivalent circuit model of batteries with metal Li electrode

To contrast the intermittency of renewable energy sources high efficiency energy storage systems are required. Lithium Ion batteries are currently the most feasible technology to satisfy this challenge; a special category of Li-Ion Batteries are Lithium Metal Batteries. They are deeply under investigation due to the fact that pure Lithium metal represents an ideal kind of anode. The present work concerns the study of Lithium metal behaviour in different cycling conditions in order to propose a good circuital representation of the anode of the Lithium Metal cell that matches with the data provided by the ISEA Institute at RWTH Aachen University. The proposed electric circuit model consists of a Zarc element in series with a resistor. The Zarc element describes the charge transfer, meanwhile, the ohmic resistance reflects the displacement of the impedance spectra on the real axis. Thanks to the use of a graphical interface for Matlab named FittingGUI, impedance spectra of three different kind of cells are investigated in detail, using the DRT methods. Three processes were found: one at lower frequencies (NMC's charge transfer), one at moderate frequencies (graphite's SEI) and one at high frequencies (Lithium's surface film and charge transfer). A systematic trend could be observed for the changes of the most important resistive elements that compose the model; they scale in the same way from the Lithium Ion cells to the two coin cells. The presence of a numerical gap in the values of the resistive elements between the basic cell and the coin cells must be noticed; this could be caused by several factors (i.e. difference in area, thickness, conductivity, active area, Li ions concentration...) Finally, the aforementioned model could help to get a major awareness about how to describe the behaviour of Lithium metal when it is used as a counter electrode since the proposed predictive model seems to match quite well the experimental data.

Per contrastare l'intermittenza delle fonti rinnovabili sono necessari dispositivi di stoccaggio dell'energia ad alta efficienza, come le batterie agli ioni di litio. Una categoria speciale di queste ultime sono le batterie al litio metallico, le quali sono estremamente studiate poiché il litio rappresenta un anodo ideale. Il presente lavoro di tesi si propone di studiare il comportamento del litio metallico in diverse fasi del ciclo di vita per proporre un buon modello circuitale dell'anodo di una batteria al litio metallico che possa rappresentare al meglio i dati forniti dall'istituto ISEA dell'università RWTH Aachen. Il modello di circuito elettrico proposto è composto da un elemento Zarc e da una resistenza. L'elemento Zarc descrive la reazione elettrochimica mentre la resistenza riflette il posizionamento dell'impedenza sull'asse reale. Grazie all'uso di FittingGUI, un'interfaccia grafica di Matlab, le curve di impedenza di tre diversi tipi di batterie sono state studiate in dettaglio, usando il metodo DRT. Sono stati identificati tre processi: uno a basse frequenze (scambio di cariche nell'elemento NMC), uno a frequenze moderate (formazione SEI nella grafite) e uno ad alte frequenze (formazione SEI e scambio di cariche nel litio). Si può notare un andamento sistematico nei cambiamenti degli elementi resistivi più importanti che costituiscono il modello; essi scalano nello stesso modo dalla cella agli ioni di litio alle due coin cells. Si sottolinea la presenza di un gap numerico nei valori sopracitati; questo può essere causato da molteplici fattori quali differenza di aree, spessore, conducibilità, area attiva, concentrazione degli ioni di Litio ecc. In conclusione, il sopracitato modello potrebbe aiutare ad acquisire una maggiore consapevolezza riguardo la descrizione del comportamento del litio metallico, quando esso è usato come counter electrode, visto che il modello predittivo proposto sembra combaciare abbastanza bene con i dati sperimentali.