Investigation of lithium-ion batteries degradation through incremental capacity and differential voltage analysis

This master thesis work has been developed during a 6-month internship in the battery team of the Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM). The work aims to investigate Incremental Capacity (IC) and Differential Voltage (DV) analysis as possible techniques for aging detection and State of Health (SoH) estimation. Firstly, an overview of lithium-ion batteries degradation and aging detection methods, with a focus on IC and DV, is provided. Then, a methodology is proposed with the following sections: (i) the calculation of IC and DV curves using the Level Evaluation Analysis or LEAN method; (ii) the attribution of the peaks of IC and DV curves to the electrode by which they are mainly influenced; (iii) the determination of electrodes capacity at the Beginning of Life (BoL); (iv) the definition of the features, both on IC and DV curves, to track degradation modes and (v) the SoH estimation exploiting specific peaks of the IC curves. The methodology has been applied to lithium-ion batteries characterized by Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC) cathode and Graphite with Silicon Oxide (GrSi) anode. Specific testing protocols has been defined to perform cycling aging tests and obtain the voltage curves required as input to perform IC/DV analyses. The results showed that the main cause of capacity fade is the loss of lithium inventory. The silicon showed a rapid degradation that affects the anode capacity and the cyclabe lithium. The rate of silicon degradation depends on the depth of discharge used during cells cycling. Graphite degradation was mainly detected in cells cycled at high charging current. The cathode showed signs of degradation only in correspondence of a change in the capacity fade trend of the full cells. The main outcomes of the thesis are: (i) the quantification of electrodes degradation through the IC and DV analysis and (ii) the estimation of the SoH of a cell using IC curves; (iii) the outline of an online aging detection procedure.

Questo lavoro di tesi magistrale è il risultato di uno stage di 6 mesi presso lo Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM). Il lavoro ha come obiettivo investigare la capacità incrementale (IC) e la tensione differenziale (DV) come possibili tecniche per rilevare l’invecchiamento e stimare lo stato di salute (SoH) di una batteria. In primo luogo, una panoramica sui meccanismi di degradazione delle batterie e sui metodi di rilevazione dell’invecchiamento viene proposta. Quindi, viene proposta una metodologia composta dalle seguenti sezioni: (i) il calcolo delle curve di IC e DV usando il metodo di valutazione dei livelli (LEAN); (ii) l’attribuzione dei picchi delle curve di IC e DV all’elettrodo da cui sono principalmente influenzati; (iii) la determinazione della capacità degli elettrodi a inizio vita; (iv) la definizione, sia per curve di IC che di DV, delle caratteristiche che permettono di tener traccia della degradazione e (v) la stima dello stato di salute di una batteria tramite le curve di IC, sfruttando l’evoluzione di picchi specifici e non dell’intera curva. La metodologia è stata applicata a celle agli ioni di litio caratterizzate da un catodo di litio e ossido di nickel-manganese cobalto (NMC) e un anodo di graffite e ossido di silica (GrSi). Specifici protocolli di test sono stati definiti per svolgere i test di invecchiamento e ottenere le curve di tensione che sono richieste come input nelle analisi di IC e DV. I risultati hanno mostrato che la principale causa di perdita di capacià per le celle analizzate è la perdita di litio disponibile al ciclaggio. La silica ha mostrato una rapida degradazione che ha ridotto la capacità dell’anodo e il litio disponibile. La degradazione della graffite è stata principalemte riscontrata nelle celle soggette ad alte correnti di ciclaggio. Il catodo ha mostrato segni di degradazione solo nelle celle soggette ad un cambio di tendenza relativo alla perdita di capacità. I risultati principali della tesi sono: (i) la quantificazione della degradazione degli elettrodi attraverso l’analisi di IC e DV e (ii) la stima dello stato di salute di una batteria usando le curve di IC; (iii) lo schema di una procedura per l’indagine online dell’invecchiamento.