Analysis of degradation of lithium-ion batteries coming from real automotive application

With the ever-growing public and now commercial sentiment supporting the widespread adoption of low and zero-emission vehicles, it is unsurprising that Li-ion batteries, which currently assume the bulk of the cost of electrified vehicles (≈ 40%), have become prolific not only in the primary research literature but have also entered the general public consciousness . This technology has become one of the most commonly used power sources in the new generation vehicles due to its characteristics of high energy density, high power density, low self-discharge rate, etc. However, battery life can barely satisfy the demand of users, restricting the further development of electric vehicles. For this reason battery aging mechanisms and the impact of battery degradation should be considered as major factors in the optimization of the battery design and management. However, the detection and understanding of the aforementioned aging phenomena is a challenging task due to the inter-dependency of the various degradation mechanisms that manifest themselves by capacity and power fade. Therefore, the aim of this work is to gain knowledge on long term battery degradation modes, by analysing multiple samples aged in real automotive applications. Adding on top of that a method for detecting degradation phenomena through physical parameters, calibrated with an optimization algorithm from a set of easily acquirable experimental measurements. Which will then formulate a generalized protocol able to give an esteem of the State of Health of heterogeneous battery samples. Finally, a deepening on the diagnostics of parallels of cells was performed as a first step towards the understanding of module testing methods.

A fronte della costante crescita di interesse da parte di pubblico e ora anche di imprese a sostegno dell’adozione diffusa di veicoli a basse emissioni, non sorprende che le batterie agli ioni di litio, che attualmente assumono la maggior parte del costo dei veicoli elettrici (≈ 40%), siano diventate prolifiche nella letteratura di ricerca scientifica e non solo. Quest’ultima è infatti diventata una delle fonti di energia più comunemente utilizzate nei veicoli di nuova generazione grazie alle sue caratteristiche di alta densità di energia, alta densità di potenza, basso tasso di autoscarica, ecc. Tuttavia, la vita utile ancora limitata, frena l’ulteriore diffusione dei veicoli elettrici. Per questo motivo i meccanismi di invecchiamento e l’impatto della degradazione della batteria dovrebbero essere considerati come fattori importanti nell’ottimizzazione della progettazione e della gestione del funzionamento di quest’ultima. Tuttavia, l’individuazione e la comprensione dei suddetti fenomeni di invecchiamento è un compito impegnativo a causa dell’interdipendenza tra i vari meccanismi di degradazione che si manifestano sotto forma di perdita di capacità e di potenza. Pertanto, lo scopo di questo lavoro è quello di acquisire conoscenze approfondite sulle modalità di degradazione a lungo termine, analizzando misure sperimentali effettuate su campioni invecchiati in reali applicazioni automotive. A queste viene poi accoppiato un algoritmo di ottimizzazione che, a partire da un insieme di misure sperimentali facilmente acquisibili, permette di calibrare i parametri rappresentatitivi dei fenomeni di degrado. Ciò permetterà di formulare un protocollo di misure in grado di dare una stima dello stato di salute dei campioni di batterie. Infine, è stato eseguito un breve approfondimento sulla diagnostica dei paralleli di celle. Quest’ultimo costituisce il primo passo verso lo studio dei metodi di diagnostica su moduli di celle ancora assemblati.