Experimental investigation of lithium-ion battery automotive related aging and model-based interpretation

The electric vehicle (EV) market plays a key role in the transition towards a more sustainable transportation sector. Since it is expected to expand further in the next future, an increasing number of batteries that have reached the end of life (EoL) condition will have to be managed. In a circular economy framework, these batteries could be reused in less demanding applications, instead of being disposed. To understand in which second use they can be repurposed, it is necessary to measure their state of health (SoH) and the remining lifetime. The purpose of this work is to investigate, through the utilization of a non-destructive method, which are the main degradation mechanisms that arise during a battery automotive utilization and which are the main stressors that trigger them. To do that, a nine-months experimental cycle aging campaign has been developed and conducted in which a group of cells have been degraded through the utilization of dynamic current profiles opportunely selected. In parallel, a second set of samples has been subjected to a calendar aging campaign, in order to split between the degradation caused by cycling and the one given by the battery thermodynamic conditions. The analysis of the results obtained showed that cycling at high state of charges (SoCs) represents the most degrading condition, since SEI formation (which brings to capacity fade) is promoted. A physical model of the battery has been used to support the interpretation of the experimental evidences. Lastly, the cycle aging campaign’s recharge phases have been analysed, with the aim of identifying indicators able to provide information about the battery SoH that could be easily measured by the battery management system (BMS) of the electric vehicle.

Il mercato dei veicoli elettrici ricopre un ruolo fondamentale nell’ambito della transizione verso un settore dei trasporti più sostenibile. Poiché tale mercato è destinato a espandersi ulteriormente, una sempre più crescente quantità di batterie agli ioni litio che ha raggiunto la condizione di fine vita dovrà essere gestita nei prossimi anni. In un contesto di economia circolare, questi dispositivi potrebbero essere riutilizzati in applicazioni meno impegnative, al posto di essere smaltite: per poter fare ciò, è necessario avere una stima dello stato di salute delle batterie e la loro restante vita utile. Questo lavoro, svolto presso il laboratorio MRT Fuel Cell & Battery Lab del Politecnico di Milano, mira a comprendere quali sono i principali meccanismi di degradazione che si manifestano in batterie soggette ad un utilizzo di tipo automobilistico. A tal fine, è stata sviluppata e condotta una campagna sperimentale della durata di nove mesi (luglio 2021 – marzo 2022) in cui un gruppo di celle è stato degradato mediante l’utilizzo di profili di corrente dinamici opportunamente selezionati. In parallelo, un secondo gruppo di celle è stato sottoposto ad una campagna di “calendar aging”, al fine di scindere tra la degradazione causata dall’utilizzo della batteria e quella dovuta alle condizioni termodinamiche. L’analisi dei risultati ottenuti ha mostrato che la condizione più degradante è associata al ciclare ad alti stati di carica, in quanto la formazione del SEI (e quindi la riduzione della capacità) è favorita in questa condizione. Un modello fisico della batteria è stato utilizzato per supportare l’interpretazione delle evidenze sperimentali. Infine, dall’analisi delle fasi di ricarica della campagna, sono stati identificati degli indicatori facilmente misurabili dal sistema di gestione della batteria (BMS), in grado di fornire informazioni sullo stato di salute della stessa.