Experimental and modeling investigation of thermal properties degradation in lithium-ion battery with internal temperature measurements

Lithium-ion batteries proposed themselves as the reference technology for the support of decarbonization in the EU, especially in the transportation and energy generation sectors. Their market is expected to continuously grow in the upcoming years, creating the need for an innovative framework for their life cycle, with a view to circular economy and second life assessment. In this context, the characterization of the main degradation phenomena of these devices is crucial for the definition of new strategies to prolong their service life, minimizing their waste and environmental impact. One of the main stressors for degradation is represented by temperature, which influences greatly the aging effects during operation. Consequently, an experimental methodology was defined and implemented for the characterization of the thermal behavior of cylindrical lithium-ion batteries. This was accomplished through the estimation of the specific heat capacity and thermal conductivity parameters, by means of four analytical models for physical interpretation. In parallel, a new methodology was established for the insertion of FBG optical sensors inside cylindrical batteries, allowing for the dynamic measurement of internal temperature during operation. Finally, the obtained experimental results were interpreted through the derivation of a physics-based thermo-electrochemical model, with successful results.

Le batterie agli ioni di litio si sono proposte come la tecnologia di riferimento per il supporto della decarbonizzazione nell'UE, specialmente nei settori dei trasporti e della produzione di energia. Si prevede che il loro mercato continui a crescere nei prossimi anni, creando la necessità di un quadro innovativo per la gestione del loro ciclo di vita, in un'ottica di economia circolare e seconda vita. In questo contesto, la caratterizzazione dei principali fenomeni di degrado di questi dispositivi è cruciale per la definizione di nuove strategie per prolungare la loro vita utile, minimizzando il loro spreco e impatto ambientale. Uno dei principali fattori che influenzano il degrado è rappresentato dalla temperatura operativa, che influisce notevolmente sugli effetti di invecchiamento durante il funzionamento. Conseguentemente, è stata definita e implementata una metodologia sperimentale per la caratterizzazione del comportamento termico delle batterie cilindriche agli ioni di litio. Questo obiettivo è stato raggiunto attraverso la stima del calore specifico e della conduttività termica, utilizzando quattro modelli analitici per l'interpretazione fisica. In parallelo, è stata stabilita una nuova metodologia per l’inserimento di sensori FBG ottici all’interno di batterie cilindriche, consentendo la misura dinamica della temperatura interna durante il loro funzionamento. Infine, i risultati sperimentali ottenuti sono stati interpretati attraverso la derivazione di un modello termo-elettrochimico basato su equazioni fisiche, con risultati positivi.