Design and development of a compact, low-cost setup for Lithium-Ion Battery ageing and characterization

Over the past few decades, the adoption of lithium-ion batteries as a power source has grown exponentially, spanning applications from small handheld devices to electric vehicles and even up to large-scale utility BESS (Battery Energy Storage Systems) of strategic and economic importance. Each type of system presents unique requirements and performance metrics for the chosen power source that must be prioritized during the design phase. As batteries age differently based on factors such as time, usage, load cycles, enclosure form factor, electrodes chemistry, materials, and other physical and chemical parameters, there is a need for a system capable of experimentally testing batteries through targeted aging cycles, eventually replicating application-specific usages, in order to make informed design decisions regarding which kind of battery best fits a given target usage. Additionally, data collection can be used for the development of accurate behavioral models, according to circuital, electrochemical, PDE-based or neural networks-based approaches. However, existing battery testing setups on the market are often inadequate for laboratory use due to their high upfront costs and significant power requirements. As such, this work is part of an interdepartmental project at Politecnico di Milano, aiming to develop a compact, complete, low-cost battery testing setup, with the ultimate goal of being able to predict the State of Health and the Remaining Useful Life for a battery, based on the target usage, through different possible techniques. This document is divided in three parts: in the first part foundational knowledge is provided on batteries cells up to battery packs, including brief historically relevant notions, modeling techniques and degradation causal processes and consequences. The second part details the proposal and development of the setup into a working prototype, with ample and thorough explanations of each design choice. In the third and last part, system characterization is performed and two further setup optimizations are proposed and developed.

Negli ultimi decenni, l'adozione di batterie agli ioni di litio come fonte di energia è cresciuta esponenzialmente, coprendo applicazioni che vanno dai piccoli dispositivi portatili ai veicoli elettrici, fino ai sistemi di accumulo energetico su larga scala (BESS - Battery Energy Storage Systems) di rilevanza strategica ed economica. Ogni tipo di sistema presenta requisiti specifici e metriche di prestazione uniche per la fonte di energia scelta, che devono essere prioritizzate durante la fase di progettazione. Poiché le batterie invecchiano in modo diverso in funzione di fattori come il tempo, l'uso, le caratteristiche dei cicli di carico, il formato dell'involucro, la chimica degli elettrodi, i materiali e altri parametri fisici e chimici, è necessario un sistema in grado di testare sperimentalmente batterie di vario tipo, attraverso cicli di invecchiamento mirati e replicando eventualmente usi specifici per applicazioni, al fine di prendere decisioni progettuali consapevoli riguardo al tipo di batteria più adatto a un determinato utilizzo. Inoltre, la raccolta dei dati può essere utilizzata per lo sviluppo di modelli comportamentali accurati, secondo approcci circuitali, elettrochimici, basati su equazioni differenziali alle derivate parziali (PDE) oppure basati su reti neurali. Tuttavia, i sistemi di test delle batterie attualmente disponibili sul mercato sono spesso completamente inadeguati a causa dei loro elevati costi iniziali e dei significativi requisiti energetici. Per questo motivo, il lavoro qui presentato fa parte di un progetto interdipartimentale del Politecnico di Milano, volto a sviluppare un sistema di test per batterie compatto, completo e a basso costo, con l'obiettivo finale di poter prevedere lo Stato di Salute (SoH) e la Vita Utile Residua (RUL) di una batteria, in base all'uso previsto ed effettivo. Questo documento è diviso in tre parti: nella prima parte vengono fornite conoscenze di base partendo dalla singola cella come prototipo di batteria fino ad un pacco batteria completo e reale, includendo brevi nozioni storicamente rilevanti, tecniche di modellazione, processi causali e conseguenze della degradazione. La seconda parte descrive la proposta e lo sviluppo del sistema in un prototipo funzionante, con ampie e dettagliate spiegazioni per ogni scelta progettuale. Nella terza e ultima parte, viene effettuata la caratterizzazione del sistema e vengono proposte e sviluppate ulteriori ottimizzazioni del sistema.