On the degradation of lithium-ion batteries under automotive conditions : experimental investigation, modelling analysis and ex-situ validation

The energy transition is the human reply to global warming, which is already in play. In particular, power and transportation sectors are responsible for more than 50% of the greenhouse gases emissions worldwide. Renewable energy sources are one key technological solution for electricity production and are spreading fast. However, their intermittent nature forces the need of energy buffers, like lithium-ion batteries. At the same time, lithium-ion batteries are also the revolution of the transportation field. In the next decade, a growing amount of batteries from electric vehicle is going to be retired. One interesting solution is the second-life of batteries, that is the direct or indirect reuse into a less demanding energy storage application. It is of great interest under both an environmental and economic perspective. However, some issues have to be addressed. In particular, the durability of the devices is still to be proved and the testing procedure must be regulated. This work deals with these topics. Battery degradation is investigated experimentally, with extensive campaigns aiming at reproducing the battery first-life on an electric vehicle. Along the campaign, optimized periodic characterizations are performed to track the performance of the devices. The combined use of experiments and physical models is the proposed route towards a fast battery diagnosis. The results are then validated against ex-situ measurements. The approach is also applied on a batch of real-world samples. The challenges and results of a real case are carefully outlined.

La transizione energetica è l’azione messa in campo per fronteggiare il surriscaldamento globale, fenomeno che già mostra i propri effetti. In particolare, i settori della produzione di energia e dei trasporti sono responsabili per più del 50% delle emissioni di gas serra a livello globale. Le fonti di energia rinnovabile sono una soluzione nel campo della produzione di energia e si stanno diffondendo rapidamente. Tuttavia, essendo intermittenti necessitano di accumulatori di energia, come le batterie al litio. Queste ultime sono anche un mezzo per guidare la rivoluzione nel settore dei trasporti. Nei prossimi anni un numero crescente di batterie da veicoli elettrici sarà dismesso. In questo contesto, una soluzione di interesse è la “seconda vita” di queste batterie, ovvero il loro riuso diretto o indiretto come sistemi di accumulo in una applicazione con richieste di prestazioni meno esigenti. Questo porta dei vantaggi sia in termini ambientali che economici. Tuttavia, alcune problematiche devono ancora essere superate. In particolare, la durabilità dei dispositivi deve essere verificata e la procedura di certificazione deve essere normata. Questo lavoro affronta questi temi. La degradazione delle batterie viene investigata sperimentalmente, attraverso estese campagne sperimentali che mirano a riprodurre le condizioni di utilizzo durante la prima vita su un veicolo elettrico. Durante le campagne vengono eseguiti protocolli di caratterizzazione ottimizzati al fine di tracciare l’evoluzione delle prestazioni dei dispositivi. L’utilizzo combinato di esperimenti e modelli fisici è il metodo proposto per una diagnostica rapida delle batterie. I risultati delle analisi vengono infine verificati con misure ex-situ specifiche. L’approccio viene quindi esteso a campioni provenienti da un’applicazione reale. Complessità e risultati di questa attività vengono illustrati nel dettaglio.