Characterization and modelling of lithium metal batteries

This thesis work has been developed within the framework of HIDDEN project (BATTERY 2030+ initiative) during a 6-month internship at the project partner Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM). Within CSEM's roles in the project, this thesis focuses on identification, testing and validation of dendrite structure detection technique in Lithium Metal Batteries (LMBs). Moreover, it contributed to the application of existing modelling framework to LMBs. Initially, an overview of LMBs and their functioning is given. Then, a methodology is proposed with the following sections: (i) the test phases necessary to characterize the cells; (ii) the description of non-invasive degradation detection techniques and their implementation; (iii) the definition of the detection technique algorithm and the detection validation processes; (iv) the model to reproduce the behavior of LMBs through an equivalent electrical circuit. The methodology has been applied to the study of LMBs produced within the project framework. The experimental analysis required the definition of the laboratory procedure and testing protocols for the characterization and modelling of the cells. The main outcomes of the thesis show: (i) the characterization of the tested LMBs under different cycling conditions; (ii) the detection techniques application and the sensitivity analysis to determine the most performing degradation indicators and (iii) the development of an equivalent electric circuit using a modified version of an existing modelling framework to better reproduce the behavior LMBs in both new and aged conditions.

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato all'interno del progetto HIDDEN (iniziativa BATTERY 2030+) durante uno stage di 6 mesi presso il partner di progetto Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM). Tra i ruoli ricoperti da CSEM all’interno del progetto, questa tesi si concentra sull'identificazione, il testing e la validazione delle tecniche di rilevamento delle strutture dendritiche nelle batterie litio-metallo (LMB). Inoltre, contribuisce all'applicazione di un modello esistente alle LMB. Inizialmente, viene fornita una panoramica delle batterie a litio-metallo e del loro funzionamento. In seguito, viene proposta una metodologia con le seguenti sezioni: (i) le fasi di test necessarie per caratterizzare le celle; (ii) la descrizione delle tecniche non invasive di rilevamento dei meccanismi di degradazione e la loro implementazione; (iii) la definizione dell'algoritmo della tecnica di rilevamento e i processi di validazione; (iv) il modello per riprodurre il comportamento delle LMB attraverso un circuito elettrico equivalente. La metodologia è stata applicata allo studio delle LMB prodotte per il progetto. L'analisi sperimentale ha richiesto la definizione della procedura di laboratorio e dei protocolli di test per la caratterizzazione e la modellazione delle celle. I principali risultati della tesi mostrano: (i) la caratterizzazione e i comportamenti principali delle LMB in diverse condizioni di cycling; (ii) i risultati dell'applicazione delle tecniche di rilevamento dei meccanismi di degradazione e l'analisi di sensibilità per determinare gli indicatori di degradazione più performanti e (iii) lo sviluppo di un circuito elettrico equivalente per simulare il comportamento delle LMB nuove ed invecchiate, applicando una versione modificata di un approccio di modellazione esistente.