Characterization of lithium-ion batteries ageing from real automotive applications via single cell testing, post-mortem analysis and physical modeling

The energy transition is crucial to reduce greenhouse gas emissions and mitigate the impacts of climate change. Reducing dependence on fossil fuels and adopting sustainable energy solutions are essential steps in mitigating climate change and ensuring a green future. Lithium-ion batteries will play a fundamental role in this transition, particularly in the electric vehicle market and in stationary energy storage systems. As a result, new challenges will arise, including the need to develop a circular economy for the recycling and reuse of spent batteries. The aim of this work is to study the performance of lithium-ion batteries from real automotive applications in order to assess their aging and identify the underlying degradation mechanisms. Specifically, single-cell tests were conducted to evaluate the degradation state of the analysed battery samples and a physical model was used to accurately interpret the results. Additionally, ex-situ analyses were performed to investigate the effects of aging on cell materials, and a methodology for assembling Swagelok cells was developed. The results revealed a direct correlation between the performance decay observed in single-cell diagnostics and the variations in material properties assessed through post-mortem testing.

La transizione energetica è fondamentale per ridurre le emissioni di gas serra e mitigare l’impatto dei cambiamenti climatici. La riduzione della dipendenza dai combustibili fossili e l’adozione di soluzioni energetiche sostenibili rappresentano passaggi fondamentali per contrastare il cambiamento climatico e garantire un futuro più green. Le batterie agli ioni di litio avranno un ruolo fondamentale in questa transizione, in particolare nel mercato dei veicoli elettrici e nei sistemi stazionari di stoccaggio di energia. Di conseguenza, si presenteranno nuove sfide, tra cui l’esigenza di sviluppare un’economia circolare volta al riciclo e al riutilizzo delle batterie esauste. L’obiettivo di questo lavoro è studiare le prestazioni di batterie agli ioni di litio provenienti da applicazioni automotive, al fine di valutarne l’invecchiamento e identificare i meccanismi di degrado. In particolare, sono stati effettuati test su celle singole per valutare lo stato di degradazione dei campioni analizzati ed è stato utilizzato un modello fisico per interpretare correttamente i risultati. Inoltre, sono state eseguite analisi ex-situ per studiare gli effetti dell’invecchiamento sui materiali delle celle, ed è stata sviluppata da zero una metodologia per l’assemblaggio di celle Swagelok. I risultati hanno mostrato una diretta correlazione tra il calo delle performance osservato nei test su singole celle e le modifiche nelle proprietà dei materiali analizzate tramite i test post-mortem.