Internal Temperature measurements in Li-ion Pouch Cell using FBG

Abstract

I denne masteroppgaven har det blitt forsøkt å implementert FBG-sensorer i forhåndsproduserte lithium-ion batterier for intern temperaturmåling. Det ble brukt glasskapillærer for å isolere sensorene slik at de kun regaerte på temperatur endringer. For å beskytte kapillærene ved inngangspunktet til cellen, ble det brukt en polypropylenbrakett. Effekten som sensorimplementeringen hadde på celleytelsen ble evaluert ved å undersøke endringer i kapasitet og intern motstand. Videre ble det foretatt temperaturmålinger under sykling av cellen for å evaluere ytelsen til sensorene. Det ble funnet at braketten beskyttet kapillærene ved inngangspunktet til cellen som designet. Men på grunn av forvrengning av celleposen under vakuumforsegling hadde kapillærene imidlertid en tendens til å knekke inne i cellen. Det ble forsøkt å korrigere dette ved å redusere vakuumet i forseglingsprosessen, men dette førte til utilstrekkelig forsegling og inntrenging av fuktighet i cellen. Informasjon om celleelektrolytten var ikke tilgjengelig, noe som resulterte i en mindre optimal sammensetning av det etterfylte elektrolyttløsningsmidlet. Dette gjorde det vanskelig å avgjøre om 10\% reduksjonen i kapasitet og økning på 7 til 17\% av intern motstand skyldtes endring i elektrolyttsammensetning eller tilstedeværelsen av sensorer inne i cellen. Temperaturmålingen viste forventede verdier med en maksimal forskjell på 2.75 \degreee C mellom interne og eksterne senorer, noe som indikerte at kapillærene tilstrekelig isolterte sensorene fra andre bidrag en temperatur. Videre underbygger de observerte temperaturgradientene verdien av interne målinger i lithium-ion batterier.

In this thesis FBG sensors have been implemented into pre-fabricated LIBs for the purpose of measuring the internal temperature. Glass capillaries was used to isolate the sensors from strain contributions. To protect the capillaries at the entry point, a polypropylene bracket was used. The impact on the cell performance due to the sensor implementation was evaluated by examining change in capacity and internal resistance. Furthermore, temperature measurements was made during cycling of the cell to evaluate the performance of the sensors. It was found that the bracket protected the capillaries at the entry point of the cell as designed. However, due to the distortion of the cell pouch during vacuum sealing the capillaries had a tendency to break inside the cell. It was attempted to correct this by reducing the vacuum in the sealing process, but this lead to an insufficient seal and cell moisture ingress was present. Information about the cell electrolyte was also not available, which resulted in an unfavorable composition of the refilled electrolyte solvent. This made it difficult to determine whether the reduction in capacity of 10\% and increase of internal resistance of 17\% and 7\% at 20\% SOC and 40\% SOC respectively was due to the change in electrolyte composition or the presence of sensors inside the cell. The temperature measurement showed expected values of 2.75\degree C difference between internal and external sensors at 2 C discharge, indicating that the capillaries successfully eliminated any strain contributions. Furthermore, the observed temperature gradients demonstrate the value of internal measurements in LIBs.