Development of a fiber-optic evanescent-wave spectrometer for battery sensing

Due to the rise of the demand of batteries in the last decades, new technologies which improve efficiency and lifespan are of crucial importance for a better use of energy and natural resources. In this regard, development of a system which could be able to directly identify the state of charge and state of health of a battery during its operations, would be a huge improvement, since nowadays this information is only based on indirect measurement on battery current and voltage. In this Project, a deep review of available literature regarding the connection between UV-Visible spectroscopy and electronic configuration of relevant battery materials was conducted. Next, a complete review of information regarding the adoption of a fiber-optic measurement system to track materials’ changes during battery operations was carried out. Anyways, since only partial information have been collected with this system so far, and no spectroscopy on battery materials under realistic cycling conditions has been conducted, all conclusions rely just on specific operating parameters of the measurements. This Project aims to the development of a simple and economic measurement system to perform real spectroscopy for any kind of battery materials, with the validation of a solid theoretical basis and a correlation of the obtained spectra with the UV-Visible spectra of the same materials, which were available in literature. This work presents experimental measurements to characterize the spectroscopy system, followed by measurements on dyes and coloured pigment to test its feasibility. It also features measurements on powders used as active materials for battery electrodes: copper phthalocyanine, Co2TiO4, LiFePO4; for the last one, a comparison between spectra of fully-lithiated and fully-delithiated compound was tested and commented Future improvements regard the implementation of better performing light sources and optic fibers of the system, to widen the range of use of the system; it is also important to test the system in operando to verify its sensitivity limits in tracking of spectral changes of the battery materials.

A causa del rapido aumento della domanda di batterie negli ultimi decenni, nuove tecnologie che ne migliorino efficienza e durata sono di cruciale importanza per un utilizzo ottimale dell’energia e delle risorse naturali. In quest’ottica, lo sviluppo di un sistema che sia in grado di identificare in modo diretto lo stato di carica e lo stato di degrado di una batteria durante il suo utilizzo, basato sui cambiamenti della struttura molecolare dei suoi componenti, sarebbe un enorme miglioramento, dal momento che, fino ad oggi, tali informazioni sono basate su misurazioni indirette della corrente e voltaggio della batteria stessa. In questo Progetto è stata dapprima condotta un’approfondita analisi della letteratura corrente concernente la connessione tra spettroscopia UV-Vis e configurazione elettronica di rilevanti materiali per batterie; è stata altresì condotta un’analisi completa delle informazioni riguardo l’utilizzo di sistemi di misura in fibra ottica per tracciare i cambiamenti dei materiali durante le operazioni della batteria. Fino ad oggi, solo parziali informazioni sono state ottenute con questi sistemi, e non è stata condotta vera spettroscopia sui materiali per batterie: tutte le conclusioni si basano sugli specifici parametri e condizioni di misura. Questo Progetto ha lo scopo di sviluppare un semplice ed economico sistema di misura per condurre vera spettroscopia su qualsiasi tipo di materiale per batterie, essendo validato da una solida base teorica data dalla correlazione dei risultati con spettri UV-Vis disponibili in letteratura. Il lavoro presenta risultati sperimentali per caratterizzare il sistema spettroscopico, seguito da misure su vernici e pigmenti colorati per calibrarne i parametri; è presentato anche il risultato di misure su polveri utilizzate come materiali attivi per elettrodi di batterie: ftalocianina blu rame, Co2TiO4, LiFePO4; per quest’ultimo è stata condotta una comparazione tra gli spettri del materiale sia nel suo stato totalmente litiato che totalmente delitiato. Sviluppi futuri riguardano il miglioramento tecnologico della fonte di luce e della fibra ottica, per allargare il campo di utilizzo del sistema; è altresì importante testare il sistema sull’utilizzo in-operando di batterie, per verificarne i limiti di sensibilità ai cambiamenti spettrali dei materiali.