Unveiling degradation mechanisms in automotive LFP cells: electrochemical characterization in T-cell and ex-situ analyses including X-Ray micro-Tomography

The global energy transition is driving the widespread adoption of renewable energy technologies and the electrification of transportation. Lithium-ion batteries have become a cornerstone of this shift, enabling electric and hybrid vehicles as well as stationary energy storage systems. Ensuring the long-term performance, reliability, and sustainability of these batteries is therefore essential to support the growing demand for clean energy and to promote a circular economy through recycling and second-life applications. This thesis, carried out at the MRT Fuel Cell & Battery Lab, aims at investigating the aging behaviour and underlying degradation mechanisms of high-power LFP||Graphite lithium-ion cells extracted from real-world automotive applications. The study focuses on assessing the degradation state of the individual cell components, going beyond conventional end-of-life definitions based solely on capacity loss, in order to gain a deeper understanding of electrode-specific performance decay and material-level changes under realistic operating conditions. The study combined electrochemical diagnostics with post-mortem analyses. Cells were disassembled and reassembled in controlled T-cell configurations, allowing electrode-resolved testing, while ex-situ techniques such as scanning electron microscopy and X-ray tomography were used to investigate structural and morphological changes. The results indicate that degradation is mainly driven by the negative electrode, while the LFP cathode remains largely intact, with performance decay linked to structural and morphological changes at the graphite electrode.

La transizione energetica globale sta favorendo l’adozione diffusa di tecnologie rinnovabili e l’elettrificazione dei trasporti. Le batterie agli ioni di litio rappresentano un elemento chiave di questo cambiamento, consentendo lo sviluppo di veicoli elettrici e ibridi e di sistemi di accumulo stazionario. Garantire le loro prestazioni a lungo termine, l’affidabilità e la sostenibilità è quindi essenziale per soddisfare la crescente domanda di energia pulita e promuovere un’economia circolare attraverso il riciclo e le applicazioni di seconda vita. Questa tesi, svolta presso il MRT Fuel Cell & Battery Lab, si propone di analizzare l’invecchiamento e i meccanismi di degrado di celle agli ioni di litio LFP||Graphite ad alta potenza provenienti da applicazioni automobilistiche reali. Lo studio si concentra sulla valutazione dello stato di degradazione dei singoli componenti della cella, superando le tradizionali definizioni di end-of-life basate esclusivamente sulla perdita di capacità, per comprendere più a fondo il decadimento delle prestazioni a livello di elettrodo e i cambiamenti dei materiali in condizioni operative realistiche. Il lavoro ha combinato test elettrochimici e analisi post-mortem. Le celle sono state smontate e riassemblate in configurazioni controllate di tipo T-cell per permettere test specifici per elettrodo, mentre tecniche ex-situ, come la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microtomografia a raggi X, hanno consentito di studiare le modifiche strutturali e morfologiche. I risultati evidenziano che il degrado è principalmente determinato dall’elettrodo negativo, mentre il catodo LFP rimane sostanzialmente integro, con il decadimento delle prestazioni legato a cambiamenti strutturali e morfologici nell’elettrodo grafitico.