Investigation of the reversible effects of temperature on lithium-ion battery aging

Lithium-ion batteries (LIBs) are among the most widely used energy storage solutions due to their high energy density and efficiency. However, their performance naturally declines over time due to various aging mechanisms. This thesis focuses on the characterization and monitoring of LIBs under different operational conditions to analyze the impact of temperature and cycling on capacity degradation. Five identical batteries were tested under controlled conditions using a Neware Battery Testing System, a JULABO Heating Immersion Circulator, and a Data Acquisition System (DAQ) integrated with LabVIEW and MATLAB for data processing. By applying different temperature profiles and cy- cling protocols, the study aimed to distinguish between the reversible and irreversible effects of temperature on battery degradation. Initially, it was assumed that temperature would only contribute to capacity loss. However, experimental results suggest that, in the short term, temperature variations can actually improve battery capacity, enhancing performance. To better understand this effect, a correction methodology was developed to separate the impact of temperature from cycle aging, using a reference battery as a baseline. These results can support the development of improved battery management systems (BMS) to extend battery lifespan and improve performance.

Le batterie agli ioni di litio sono tra le soluzioni di accumulo energetico più diffuse grazie alla loro elevata densità energetica ed efficienza. Tuttavia, nel tempo, le loro prestazioni diminuiscono a causa di diversi fenomeni di invecchiamento. Questa tesi studia l’impatto della temperatura e della ciclatura sulla degradazione della capacità delle batterie agli ioni di litio, attraverso un’analisi sperimentale in condizioni controllate. Cinque batterie identiche sono state testate utilizzando un Neware Battery Testing System, un JULABO Heating Immersion Circulator e un sistema di acquisizione dati (DAQ) integrato con LabVIEW e MATLAB per l’elaborazione dei dati. Applicando diversi profili di temper- atura e protocolli di ciclatura, lo studio ha permesso di distinguere gli effetti reversibili e irreversibili della temperatura sull’invecchiamento delle batterie. Contrariamente alle aspettative iniziali, secondo cui la temperatura avrebbe solo contribuito alla perdita di capacità, i risultati sperimentali mostrano che, nel breve periodo, le variazioni termiche possono addirittura migliorare la capacità della batteria, migliorandone temporaneamente leprestazioni. Percomprenderemeglioquestofenomeno, èstatasviluppataunametodolo- gia di correzione per separare l’effetto della temperatura dall’invecchiamento dovuto alla ciclatura, utilizzando una batteria di riferimento come base di confronto. Questi risul- tati offrono spunti utili per l’ottimizzazione dei sistemi di gestione delle batterie, con l’obiettivo di prolungarne la durata e migliorarne l’efficienza.