Development of microstructural models for laser-structured electrodes in lithium-ion batteries

The mobility sector is undergoing a profound transformation globally, particularly in more developed nations. The transportation and energy generation fields have accounted for more than 45% of the CO2 emissions in 2021, making them the most impactful by far not only in absolute value, but when adjusted per capita as well. As the demand of electric vehicles grows, so do the expectations of the customer base, which now expects to have internal combustion-figures of driving range and charging time in battery-powered vehicles. Hereby, car companies have been trying to push the boundaries of what is achievable, aiming at cells that combine both high-energy and high-power characteristics. For this purpose, a promising route is the modification of the electrode’s surface using lasers to create pits that improve electrolyte penetration and electrode wetting, increasing the cell performance at high currents while maintaining the typical thickness of highenergy electrodes. In such context, the ability to digitally reproduce a coherent battery structure and its electrochemical behavior could prove of immense value, facilitating research and development, cutting down on costs and time. The purpose of this thesis is to digitally simulate a battery electrode through the use of a three-dimensional modelling software, placing careful attention to replicate the real-world structure and behavior and obtaining a digital twin-like object. The electrode must display coherent behavior when added to a digital battery, showing realistic charge/discharge potential curves. The structure is then digitally altered to replicate the behavior of a laserstructured electrode, understanding the impact of this modification on highly demanding, high charging/discharging rates. The second part of this work will focus on the validation of the digital batteries, manufacturing both structured and unstructured coin cells having the same capacity and geometries as the 3D models, understanding whether the effects of the structuring on the cell performance that are observed experimentally match with the simulated behavior.

Il settore della mobilità sta subendo una profonda trasformazione a livello globale, in particolare nei paesi più sviluppati. I settori dei trasporti e della generazione di energia hanno rappresentato oltre il 45% delle emissioni di CO2 nel 2021, rendendoli di gran lunga i più impattanti, non solo in valore assoluto, ma anche quando le emissioni vengono corrette per abitante. Con l’aumento della domanda di veicoli, crescono anche le aspettative della clientela, che ora si aspetta nei veicoli elettrici prestazioni in termini di autonomia e tempi di ricarica simili a quelli dei tradizionali veicoli a combustione interna. Per questo motivo, le case automobilistiche cercano di spingere i limiti di ciò che è tecnologicamente realizzabile, puntando ad ottenere celle che combinano alta energia ed alta potenza. A tal fine, una promettente tecnica consiste nella modifica della superficie dell’elettrodo mediante laser per creare cavità che migliorino la penetrazione dell’elettrolita e la wettability dell’elettrodo, ottimizzando le prestazioni della batteria ad alte correnti, pur mantenendo lo spessore tipicamente associato ad elettrodi ad alta energia. In questo contesto, la capacità di riprodurre digitalmente una struttura coerente della batteria e il suo comportamento elettrochimico potrebbe rivelarsi di enorme valore, facilitando la ricerca e sviluppo, riducendo tempi e costi. L’obiettivo di questa tesi è simulare digitalmente l’elettrodo di una batteria attraverso l’uso di un software di modellazione 3D, ottenendo un cosiddetto “digital twin”. L’elettrodo dovrà mostrare un comportamento coerente quando utilizzato in una batteria digitale, presentando realistiche curve di potenziale di carica/scarica. La struttura verrà poi modificata digitalmente per replicare il comportamento di un elettrodo strutturato tramite laser, al fine di comprendere l’impatto di tale modifica in condizioni di elevata sollecitazione. La seconda parte di questo lavoro si concentrerà sulla validazione delle batterie digitali, mediante la realizzazione di celle tipo coin, sia strutturate che non strutturate, aventi la stessa capacità e geometria dei modelli 3D, per verificare se gli effetti osservati sperimentalmente a seguito della strutturazione coincidano con quelli simulati.