An investigation on modeling principles and ageing behaviour of the lithium ion battery

Abstract

Denne masteroppgaven omhandler batteriteknologi med fokus på litium-ionbatteriet. Litium-ionbatteriet er den dominerende batteriteknologien på markedet i dag og benyttes i et bredt spekter av applikasjoner, alt fra små elektriske artikler som for eksempel mobiltelefoner til energilagring i distribusjonsnettet. Litium-ionbatteriet har høy energitetthet sammenlignet med konkurrerende batteriteknologier og dette er en av hovedgrunnene til dens popularitet.

I rapporten er det presentert en grundig litteraturstudie av ’state of charge’ prediksjonsmetodikker, samt aldringsmekanismer for litium-ionbatterietet. Det matematiske rammeverket som beskriver den endimensjonale elektrokjemiske modellen av litium-ionbatteriet er redegjort for.

Videre er aldringsmekanismer for litium nikkel kobolt aluminium oksid (NCA)- cellen utforsket for hurtiglading. Dette blir utført i datasimulering av en isotermisk, endimensjonal elektrokjemisk aldringsmodell i programvaren Comsol Multiphysics. Aldringen er antatt å stamme fra økt tykkelse i det såkalte ’solid electrolyte interphase’ (SEI), som er utpekt i vitenskapelige publikasjoner som en av hovedmekanismene som forårsaker degradering i litium-ionbatterier med grafittbasert anode. Økt tykkelse av SEI reduserer tilgjengelige litium-ioner og følgelig batteriets kapasitet. Denne formen for aldring i batterier benevnes som ’capacity fade’.

Simulering av aldring er gjennomført for ti tilfeller. De ti tilfellene omfatter ladestrømmer 1C, 2C, 4C, 6C og 8C, samt to forskjellige batteritemperaturer på 25°C og 45°C. Utladningsstrømmen ble holdt konstant 1C gjennom simuleringene og minimum og maksimum spenningsgrense var satt til 2.5V og 4.1V i alle simuleringer. Den lengste levetiden ble funnet for 25°C og 1C ladestrøm hvor NCA-cellen leverte 16117 sykler før den nådde levetidskriteriet på 80% tapt kapasitet (capacity fade). Hver økning i ladestrøm resulterte i hurtigere degradering, og for 8C var det en reduksjon i levetid på 23% sammenlignet med det beste tilfellet. Videre, for 45°C og 1C så var reduksjonen i levetid på 74.6% sammenlignet med 25°C og 1C. Den største reduksjonen ble funnet for 45°C og 8C ladestrøm med 79.3% reduksjon sammenlignet med beste case. Følgelig, simuleringene indikerte at hurtiglading og høyere temperaturer medfører sterk reduksjon i levetid av litium-ionbatterier.

In this thesis the battery technology and lithium ion cells in particular is studied. Lithium ion batteries are the dominant battery technology on the marked today and serves a variety of applications ranging from small electrical devices such as mobile phones to electrical energy storage in the distribution grid. The lithium ion battery offers high energy density relative to competing technologies, which is one of the main reasons for its popularity.

A comprehensive literature review of modeling principles for state of charge estimation and battery degradation is performed, and the mathematical framework for the electrochemical representation of the lithium ion cell is detailed.

The ageing behaviour of a lithium nickel cobalt aluminium oxide (NCA) cell is investigated for fast charging protocols. This is performed by computational simulation on an isothermal, one dimensional electrochemical ageing model in Comsol Multiphysics. The ageing is assumed to be caused by the formation and increased thickness of the so-called solid electrolyte interphase (SEI), which is highlighted in scientific publications as one of the main degradation mechanisms in lithium ion cells with graphite anodes. The growth of SEI consumes cyclable lithium ions and consequently, reduce the battery capacity (i.e. capacity fade).

The ageing simulations was performed for 10 cases, including 1C, 2C, 4C, 6C and 8C charge current for battery temperatures 25 °C and 45°C. The discharge current was set to constant 1C. Minimum and maximum voltage limits of 2.5V and 4.1V was used in the simulations. The best cycle life performance was found to be at 25°C and 1C charge current where the NCA cell was able to perform 16117 cycles before reaching end of life criteria which was set to 80% capacity fade. Each increase in charge current resulted in faster degradation and at 8C, the cycle life performance dropped by 23% compared to the best case. Moreover, at 45°C and 1C the cycle life performance worsened by 74.6% compared to 25°C and 1C. The worst performance was found to be at 45°C and 8C which showed a 79.3% reduction compared to the best case. Hence, the simulations indicated that fast charging and elevated temperatures significantly shortens life span of lithium ion cells.