Study of temperature-related aging of lithium-ion battery through an innovative methodology for the determination of physical-model parameters

The electric vehicles (EVs) market is fundamental for the decarbonization of the transport sector. Since it is already growing and it is expected to expand further in the next future, an increasing number of spent lithium-ion batteries (LIBs) will have to be managed. These batteries could be repurposed and adopted in less demanding applications for the rest of their residual life. Therefore, it is fundamental to study the effects of the aging and how the degradation phenomena affect the battery performance. This work aims to develop a non-destructive innovative method, that allows to investigate the aging phenomena related to lithium-ion batteries, detecting their presence through key physical parameters, obtained from a limited set of easily acquired experimental data. The first activity consists in the adaptation and improvement of the pre-existent tools, namely a LIB battery model, a data-fitting algorithm (Particle Swarm Optimization) that allows the calibration of the physical model for a pristine cell, and an experimental protocol that provide the data on which the fitting is based. The second activity is the implementation of a methodology that allows the physical model calibration, also for the case of an aged battery. To account for the battery degradation, three parameters related to the degradation modes are introduced in the model, and an additional dedicated PSO algorithm is implemented for the pa rameters calibration. The methodology, therefore, exploits the coupling of two PSO algorithms that collaborate in the calibration of the aged battery model. The third activity involved the investigation of the stressors governing two spe cific degradation mechanisms, namely solid electrolyte interphase (SEI) growth and lithium plating. Thanks to these acknowledgments, an experimental aging cam paign is carried out: calendar aging at high temperature for eight weeks and cycle aging at plating conditions are performed and analyzed. Finally, the methodology is tested and validated, calibrating the parameters of one of the samples cycled at lithium plating condition, throughout the aging campaign.

Poiché il mercato dei veicoli elettrici è in costante aumento, un numero crescente di batterie a ioni di litio usate dovrà essere gestito. Queste batterie potrebbero trovare un secondo impiego in applicazioni meno impegnative, per il resto della loro vita utile. Perciò, lo studio degli effetti dell’invecchiamento e la comprensione di come i questi fenomeni influiscono sulle performance della batteria risultano fondamentali. Questo lavoro mira allo sviluppo di un metodo innovativo che permetta di indagare alcuni fenomeni di degradazione, rilevandone la presenza attraverso l’interpretazione di alcuni parametri fisici chiave, ottenibili da un limitato set di dati sperimentali. La prima attività consiste nell’applicazione e nel miglioramento di metodi pre-esistenti, che comprendono un modello fisico della batteria, un algoritmo di data fitting (Particle Swarm Optimization - PSO) che permette la calibrazione del modello fisico per una batteria nuova, e un protocollo sperimentale che fornisce i dati su cui viene basato il fitting. La seconda attività riguarda l’implementazione della metodologia che permetta di calibrare i parametri del modello fisico, anche per il caso di una batteria degradata: questa viene considerata attraverso l’introduzione di tre nuovi parametri nel modello, che sono correlati a tre diverse modalità di degradazione; un PSO aggiuntivo è stato implementato per calibrare questi tre parametri. La metodologia, quindi, sfrutta la combinazione dei due PSO, che collaborano nella calibrazione del modello della batteria degradata. La terza attività riguarda lo studio degli stressors che governano due specifici meccanismi di degradazione, ovvero la crescita del “solid electrolyte interphase” (SEI) e il “lithium plating”. Grazie alle indagini svolte, sono state selezionate le condizioni operative della campagna sperimentale di invecchiamento: per stressare la crescita del SEI, le batterie vengono invecchiate tramite calendar aging ad alta temperatura, mentre, per il lithium plating, vengono scelti cicli a bassa temperatura. Infine, la metodologia viene testata e validata, calibrando i parametri di uno dei campioni invecchiati tramite cicli in condizioni di plating, in vari stadi di degradazione.