Estimation of aging and maximum remaining capacity of lithium-ion batteries of the electric vehicles for second life applications

The recently high increase in the use of EV is due to the technological progress of battery systems. The critical aspects of an EV are energy storage and charging system but the solution is Li-Ion batteries which allow an increase in storage performance and efficiencies despite the needs of a high number of cells. The single Li-Ion cell is made up of metals, graphite, various salts and electrolytes which result difficult to dispose of or recycle. Therefore, the expected environmental sustainability of any EV is limited by the final impact of battery production and disposal. The proposed studies the Second Life applications suitable for the Li-Ion battery cells used for electric vehicles in order to promote a Sustainable Transportation and avoid the environmental impact that disposal of these batteries would have. A Life Cycle Assessment (LCA) analysis has been adopted to estimate the gain in terms of environmental and economical impact that can be gained by reusing disposed Li-Ion cells for a Second Life application. A second-life battery is an electric vehicle battery pack that has reached an end-of-life condition for its vehicular use, yet retains enough performance to be re-purposed for another application. The impact of the working temperature on the battery performances over its lifetime is also seen in the simulation. For simulation MATLAB Simulink has been used. At elevated temperatures the performances are less compared to at 25. °C. Temperatures which are used for the simulation they are varying on daily basis and also on seasonal basis. Moreover, a number of life cycle tests have been performed to illustrate the long-term capabilities of the proposed battery cells at different charging and discharge constant current rates. The results reveal the harmful impact of high current rates on battery characteristics. On the other hand, the life cycle test is performed at different depth of discharge. To investigate the life cycle capabilities of lithium nickel oxide-based battery cells during charging, life cycle tests have been carried out at constant charge current rates. The experimental analysis indicates that the life cycle of the battery degrades the more the charge current rate increases. From this analysis, one can conclude that the studied lithium nickel oxide-based battery cells are not recommended to be charged at high current rates. Finally, a life cycle model has been developed, which is able to predict the battery cyclability accurately and the results of simulation after 5 years of the battery use has been seen in terms of aging (complete cycle of charging and discharging) and the remaining maximum capacity of the battery has been observed. If the remaining maximum capacity is greater than 80% we can use it in the EV but if the capacity is less than 80% we will start using battery in the 2nd life application.

Il recente aumento dell'uso di EV è dovuto al progresso tecnologico dei sistemi di batterie. Gli aspetti critici di un EV sono l'accumulo di energia e il sistema di ricarica, ma la soluzione è costituita da batterie agli ioni di litio che consentono un aumento delle prestazioni e delle efficienze di archiviazione nonostante le esigenze di un numero elevato di celle. La singola cella Li-Ion è composta da metalli, grafite, vari sali ed elettroliti che risultano difficili da smaltire o riciclare. Pertanto, la sostenibilità ambientale attesa di qualsiasi EV è limitata dall'impatto finale della produzione e dello smaltimento della batteria. La proposta studia le applicazioni di Second Life adatte alle celle di batterie agli ioni di litio utilizzate per i veicoli elettrici al fine di promuovere un trasporto sostenibile ed evitare l'impatto ambientale che lo smaltimento di queste batterie avrebbe. Un'analisi di Life Cycle Assessment (LCA) è stata adottata per stimare il guadagno in termini di impatto ambientale ed economico che può essere ottenuto riutilizzando le celle Li-Ion disposte per un'applicazione di Second Life. Una batteria di seconda vita è una batteria di un veicolo elettrico che ha raggiunto una condizione di fine vita per il suo uso veicolare, ma conserva prestazioni sufficienti da essere riutilizzate per un'altra applicazione. Nella simulazione si vede anche l'impatto della temperatura di lavoro sulle prestazioni della batteria nel corso della sua durata. Per la simulazione è stato utilizzato MATLAB Simulink. A temperature elevate le prestazioni sono inferiori rispetto a 25 ° C. Le temperature utilizzate per la simulazione sono variabili su base giornaliera e anche su base stagionale. Inoltre, sono stati eseguiti numerosi test del ciclo di vita per illustrare le capacità a lungo termine delle celle della batteria proposte a differenti velocità di carica e scarica di corrente costante. I risultati rivelano l'impatto dannoso degli alti tassi di corrente sulle caratteristiche della batteria. D'altra parte, il test del ciclo di vita viene eseguito a diversa profondità di scarica. Per studiare le capacità del ciclo di vita delle celle della batteria al litio-ossido di nichel durante la carica, i test del ciclo di vita sono stati effettuati a velocità costanti di corrente. L'analisi sperimentale indica che il ciclo di vita della batteria si degrada più aumenta la velocità della corrente. Da questa analisi, si può concludere che le celle della batteria studiate al litio-nichel-ossido non sono raccomandate per essere caricate a velocità elevate. Infine, è stato sviluppato un modello di ciclo di vita che è in grado di prevedere accuratamente la ciclicità della batteria ei risultati della simulazione dopo 5 anni di utilizzo della batteria sono stati osservati in termini di invecchiamento (ciclo completo di carica e scarica) e il massimo rimanente la capacità della batteria è stata osservata. Se la capacità massima residua è superiore all'80%, possiamo usarla nell'EV, ma se la capacità è inferiore all'80% inizieremo a utilizzare la batteria nell'applicazione 2a vita.