Impact of Cooling Methods on Ageing in Lithium-ion Battery Cells

Abstract

At temperatur har en betydelig effekt på levetiden til Litium-ione batterier er godt dokumentert i litteraturen. Temperaturen til battericellene under bruk avhenger av egenskapene til cellene, bruken og kjølesystemet som brukes. For å øke cellens levetid er det viktig å kunne kontrolere temperaturen. For å bidra til forståelsen av Litium-ione batterienes levetid, har vi i denne studien sett på egenskapene til cellene og kvantifisert hvor enkle de er å kjøle. Disse egenskapene ble studert gjennom degenerering av cellene under aldring gjennom bruk, dette for å identifisere hvordan cellene endres gjennom levetiden.

I den første delen av oppgaven er Lithium-ion batterier beskrevet fra det helt grunnleggende til montering, termisk oppførsel, aldringsmekanismer samt metoder for å karakterisere cellene. Teoridelen er skrevet med tanke på at andre kunne lese den for å lære det grunnleggende om Lithium-ione batterier.

Hovedmålet med oppgaven er å bidra til forståelsen av aldringsmekanismer og hvordan disse påvirker og påvirkes av cellens termiske egenskaper og oppførsel. Celler ble syklet i forskjellige kjøleoppsett, og karakteriseringstester ble gjort før, under og etter aldringssyklusene. Forskjellen i nedbrytningsmekanismer mellom de forskjellige kjøleoppsettene ble deretter studert. Den nylig utviklede Celle Kjølings Koeffisienten (CCC) ble brukt til å karakterisere kjøleegenskapene til cellene gjennom aldringsprosessen. CCC sammen med andre karakteriseringsteknikker ble brukt til å studere endringene i cellen gjennom levetiden.

Resultatene viser at når cellene brytes ned, øker varmeproduksjonen, dette ble observert i endring i intern motstand, overpotensialer og entropi. Et annet aspekt som ikke er så godt dokumentert er cellens termiske oppførsel under aldring. CCC for de celene kjølt gjennom celleposen ble mer enn halvert gjennom cellens levetid. Den endrede termiske ledningsevnen målt på anoden fra åpnede celler viser noe av årsaken til dette fallet i CCC. De fysiske endringene i cellen som ble observert understreker viktigheten av nedbrytningen til anoden på cellenes ytelse.

That temperature has a considerable effect on the lifespan of Lithium-ion batterys (LIBs) is well documented in the literature. The temperature of LIBs under cycling is dependent on the properties of the cells the usage and the Thermal management system (TMS) used. To increase the lifespan of the cells, managing them at optimal temperature is essential. To contribute the understanding of the LIBs lifetime, this study looked into the properties of the cells and quantified their cooling capabilities. These properties were studied during degeneration of the cells under cycle ageing to identify how the cells change through their lifespan.

In the first part of the thesis, the workings of Li-ion batteries is described from the very fundamentals to assembly, thermal behaviour, ageing mechanisms, and methods to characterize the cells. The theory part is written with that in mind that others could read it to learn about Li-ion battery basics. The main goal of the thesis is to contribute to the understanding of ageing mechanisms and how these affect and are affected by the cells thermal properties and behaviour. Cells were cycled in different cooling setups, and characterization tests were done before, during and after the ageing cycles. The difference in degradation mechanisms between the different cooling setups was then studied. A novel approach using the recently developed Cell Cooling Coefficient (CCC) was performed, where the cycled cells CCC were characterized during the ageing process, and the changes in how the cells were cooled were monitored. The CCC together with other characterization techniques were used to study the changes happening in the cell thru their lifetime.

The results gathered to show that as the cells degrade, the heat production increase, this is studied through internal resistance, over-potentials, and entropy changes. Another aspect not so well documented is the cells thermal behaviour during degradation. The CCC for pouch cooled cells is seen to more than half during the lifespan of the studied cells. The thermal conductivity change measured on the anode from a dismantled cells shows some of the reason for this drop in CCC. Mechanical inspections of the physical changes in the cell underline the importance of the degradation of the anode on the cells performance.