Aging and Second Life Performance of Lithium-Ion Batteries: Effects of Temperature and Cycling Conditions

Abstract

Denne masteroppgaven tar for seg aldring og second life for litium-ion-batterier. Hovedmålet er å forstå hvordan forholdene i first life påvirker cellens evne til en trygg og lang second life. Dette gjøres ved å bruke XALT 31 Ah-celler fra XALT Energy. Tre celler ble eldet hos IFE i 2015/2016 på 25 og 45 grader, mens fem andre ble kun lagret. Alle cellene ble ytterligere eldet ved NTNU. De gamle cellene ble syklet med en C-rate på C/4 ved 25 grader, mens de usyklede cellene ble syklet på 5, 25 og 45 grader med 1C. Dataene fra cellene ble analysert ved hjelp av dQdV kurver og motstandsmålinger. SoH målinger ble brukt for å forstå hva som påvirker aldring. I tillegg ble material-ARC brukt for å lithium plating. SEM-bilder ble også tatt for å visuelt evaluere effektene av sykling.

Resultatene fra syklingen indikerer at temperatur har stor påvirkning på kapasitetsreduksjonen til XALT-cellene. Høy temperatur fører til den største økningen i motstand som et resultat av vekst av SEI-laget.

Ved 5 grader er syklingsytelsen begrenset. Etter kun 14 sykluser var kapasiteten redusert til 65% av opprinnelig verdi. Økt motstand, dQdV-kurver og material-ARC peker alle mot tilstedeværelsen av lithium plating på anodeoverflaten. SEM-bilder viser en moseaktig tekstur som vanligvis er forbundet med funn av litiummetall på overflaten. I tillegg ble det også funnet en boblete tekstur som ikke tidligere har blitt funnet på anodeoverflater. Basert på disse resultatene kan cellene syklet på 5 grader helt utelukkes som second life celler på grunn av både sikkerhet og ytelse.

Når det gjelder second life sykling viste cellene som ble syklet på 25 grader i first life minst kapasitetsreduksjon ved second life. Ved prosjektets slutt har cellene syklet omtrent 500 sykluser i second life med tilnærmet ingen reduksjon i kapasitet. I tillegg er det svært små forskjeller i dQdV-plottene i løpet av de 500 syklusene. Cellene som ble syklet på 45 grader i first life mister kapasitet mye raskere i second life enn cellene som ble syklet på 25\degree C, med en kapasitetsreduksjon på omtrent 2,5%

dQdV kurver er en ikke-inngripende analysemetode som fungerer svært godt til å skille XALT-celler som er syklet ved ulike temperaturer. Basert på dette er det mulig å finne de cellene som vil fungere best for second life med hensyn til sikkerhet og ytelse. Resultatene fra eksperimentene i denne oppgaven viser at XALT-celler som er syklet ved romtemperatur på 25 grader vil ha den beste ytelsen i second life. Cellene som er syklet ved 45 grader kan også fungere, men kapasiteten reduseres raskere og dette kan også påvirke sikkerheten. Celler som er syklet ved lave temperaturer bør unngås for second life på grunn av lithium plating, som reduserer kapasiteten raskt og påvirker sikkerheten negativt.

Videre arbeid inkluderer ytterligere sykling av celler i second life for å øke kvaliteten av nåværende resultater. I tillegg gir sykling av flere celler et bedre grunnlag for å trekke konklusjoner om de trendene som er kommentert i denne oppgaven. All sykling i second life gjøres ved samme temperatur og C-rate, så videre arbeid kan involvere testing av et bredere spekter av både C-rater og temperaturer.

This master thesis addresses the aging and second life of lithium-ion batteries. The main objective is to understand how first life conditions affect a cell's ability for a safe and long second life. This is done using XALT 31 Ah cells from XALT Energy. Three cells were aged at IFE in 2015/2016 at 25 and 45 degrees, while five others were stored. Experimentally all cells were aged further at NTNU. The aged cells were cycled at a C-rate of C/4 at 25 degrees. While the uncycled cells were cycled at 5, 25, and 45 degrees at 1C. Data from the cells were analyzed using increment capacity analysis and resistance measurements. State of Health measurements was used to understand what influences aging. In addition, material ARC was used to evaluate thermal runaway temperature. SEM images were also taken to visually evaluate the effects of cycling.

Results from the cycling indicated that temperature has a large effect on the capacity decrease of the XALT cells. High temperature leads to the largest increase in resistance as a result of SEI layer growth.

At 5 degrees, the cycling performance is very limited. Only 14 cycles were performed before the cell's capacity reached 65% of the initial capacity. Increased resistance, dQdV curves, and material ARC all point towards the presence of plated lithium on the anode surface. SEM images show some mossy texture which is normally found to be lithium metal. In addition, a bubbly texture that has not previously been seen on anode surfaces was also found. Based on these results, the cells a 5 degrees can completely be ruled out as second life cells due to both safety and performance.

In regards to second life cycling, the cells cycled at 25 degrees for first life showed the least capacity decrease for second life. At the end of the project, the cells have been cycled for about 500 second life cycles with practically no decrease in capacity. In addition, there are no differences in the dQdV plots during the 500 cycles. Cells cycled at 45 degrees for first life degrade faster during second life than the cells at 25 degrees. With a decrease in capacity of about 2.5% over 500 cycles.

Increment capacity analysis is a non-invasive analysis method that works very well differentiating XALT cells cycled at different temperatures. Based on this, it is possible to find the cells that will work best for second life with regards to safety and performance. Based on the results of the experiments in this thesis, XALT cells cycled at room temperature of 25 degrees will have the best second life performance. Cells cycled at 45 degrees can also work. However, the capacity decreases faster, and this can also affect safety. Cells cycled at low temperatures should be avoided for second life due to lithium plating, which decreases capacity fast and negatively affects safety.

Further work includes further cycling second life cells to increase the probability of the current results. In addition, cycling more cells creates a better foundation to draw conclusions about the trends commented on in this thesis. All second life cycling is done at the same temperature and C-rate, further work could therefore involve testing a wider range of both C-rates and temperatures.