Modeling of commercial Li-ion batteries through electrochemical impedance spectroscopy

: In a world focused on the transition to a more sustainable power supply, batteries occupy a more and more relevant role for energy storage and Li-ion batteries (LIBs) are the main protagonists. In order to enhance the efficiency of this technology, studies on the degradation of their properties are fundamental. In particular, the increase of the internal resistance lowers the instantaneous power that the battery can supply, while the capacity fading affects the amount of stored energy. A possible approach is to control degradation through diagnostics: degradation can be evaluated by following up the internal resistance increase. In this concern, the aim of this study is to analyze the temperature dependence at different state of charge (SOC) and aging conditions of the SEI, charge transfer, diffusion and ohmic resistances, in order to highlight which one is most affected and possibly improvable. Electrochemical impedance spectroscopy has been chosen as testing technique in order to split the internal resistance components through an equivalent electrical model applied with the fitting software Zview. 200 different conditions have been analyzed, with temperature ranging from 20 °C to 47.5 °C, SOC ranging from 0% to 100%, and aging ranging from new battery to 20000 Ah of moved charge, according to a fixed protocol. Plots of the obtained internal resistance components as a function of temperature and aging have allowed to investigate their degradation trend. The results show that battery aging increases the internal resistance, but the different contributions have different percentage variations.

In un mondo focalizzato sulla transizione verso un'energia più sostenibile, le batterie occupano un ruolo sempre più rilevante per lo stoccaggio e le batterie agli ioni di litio (LIB) sono le principali protagoniste. Per migliorare l'efficienza di questa tecnologia, sono fondamentali gli studi sul degrado delle loro proprietà. In particolare, l'aumento della resistenza interna diminuisce la potenza istantanea che la batteria può erogare, mentre la riduzione della capacità influisce sulla quantità di energia immagazzinata. Un possibile approccio è il controllo diagnostico: il degrado può essere valutato seguendo l'aumento della resistenza interna. A questo proposito, lo scopo di questo studio è analizzare la dipendenza dalla temperatura a diversi stati di carica (SOC) e condizioni di invecchiamento delle resistenze del SEI, al trasferimento di carica, di diffusione e ohmica, al fine di evidenziare quale è più influenzata e possibilmente migliorabile. La spettroscopia di impedenza elettrochimica è stata scelta come tecnica di test per suddividere le componenti di resistenza interna attraverso un modello elettrico equivalente applicato con il software di fitting Zview. Sono state analizzate 200 diverse condizioni, con temperatura compresa tra 20 °C e 47,5 °C, SOC compreso tra 0% e 100% e invecchiamento compreso tra batteria nuova e 20000 Ah di carica movimentata, secondo un protocollo prefissato. I grafici dei componenti di resistenza interna ottenuti in funzione della temperatura e dell'invecchiamento hanno permesso di indagare la loro tendenza al degrado. I risultati mostrano che l'invecchiamento della batteria aumenta la resistenza interna, ma i diversi contributi hanno variazioni percentuali diverse.