Thermal Properties of Semi-solid State Lithium-ion Batteries

Abstract

Formålet med denne bacheloroppgaven er å undersøke termisk ledningsevne, spesifikk varmekapasitet og varmegenerering i semi-solid state litium-ion batterier (LIB), og sammenligne disse med de termiske egenskapene til konvensjonelle LIB.

Semi-solid state LIB-teknologi er en ny og lovende teknologi ment å forbedre industristandarden. Mens den konvensjonelle LIB-teknologien inneholder faste elektroder og flytende elektrolytt, er elektrodene og elektrolytten til semi-solid state LIB samsuspendert. Dette skaper en leirelignende struktur. På denne måten elimineres flere komponenter og produksjonstrinn, noe som gjør teknologien billigere og enklere å produsere, samt at produksjonen har lavere energiforbruk. Semi-solid state elektrodene kan også produseres tykkere enn konvensjonelle elektroder, noe som gir en økning i relativ prosentandel av aktivt materiale til inaktivt materiale. Dette fører til en økning i energitetthet. På grunn av den leirelignende strukturen, kan batteriene formes i forskjellige former, noe som gjør dem aktuelle for bærbar teknologi i tillegg til å være mer robust mot mekanisk påkjenning.

Teoridelen av denne oppgaven beskriver det grunnleggende ved litiumionbatterier, fra selve batterienes sammensetning til deres aldringsmekanismer. Denne delen av oppgaven presenterer også det grunnleggende om varmeoverføring, samt noen generelle terminologier.

For å måle den termiske ledningsevnen ble det brukt et tidligere konstruert oppsett laget for å måle varmeledningsevnen i elektrodemateriale. For spesifikk varmekapasitet ble det brukt et isolert vannbad av isopor med gitt temperatur, som de oppvarmede posecellene ble plassert i og temperaturutviklingen i systemet ble målt. Den interne motstanden ble funnet ved å kjøre HPPC-tester for forskjellige ladningstilstander, og den spesifikke varmegenereringen ble deretter beregnet fra den indre motstanden.

Fra resultatene måler semi-solid batteriene høyere for både termisk ledningsevne og spesifikk varmekapasitet. For HPPC-testingen, på grunn av en ødelagt current collector, ødelagte tabs eller en mistenkt intern kortslutning, var det bare to av de konvensjonelle cellene og dessverre ingen av semi-solid-cellene som var i stand til å gi resultater. Men på grunn av den økte elektrodetykkelsen og derfor diffusjonsavstanden i elektrodene til semi-solid-cellene, forventes den indre resistansen og dermed varmeutviklingen å være større enn for de konvensjonelle cellene.

The purpose of this project is to investigate the thermal conductivity, specific heat capacity and heat generation of semi-solid state lithium-ion batteries (LIB), and compare these to the thermal properties of conventional LIBs.

Semi-solid state LIB technology is a new and promising technology meant to improve on the industry standard. While the conventional LIB technology contains solid electrodes and liquid electrolyte, the electrodes and electrolyte of the semi-solid state LIBs are co-suspended, creating a clay-like structure. This way, several components and production steps are eliminated, making the technology cheaper and easier to manufacture, and lowering the energy consumption during production. The semi-solid state electrodes can also be produced thicker than conventional electrodes, causing an increase in relative percentage of active material to inactive material. This leads to an increase in energy density. Due to the clay-like structure, the batteries can be formed into different shapes, making them viable for wearable technology as well as being able to sustain more mechanical stress.

The theory section of this thesis describes the fundamentals of lithium-ion batteries, e.g. the composition of the batteries themselves and ageing mechanisms. This part of the thesis also presents the fundamentals of heat transfer, as well as some general battery terminologies.

To measure the thermal conductivity, a previously constructed setup made to measure thermal conductivity in electrode material is used. To measure specific heat capacity, thermocouples taped to an insulated water bath of Styrofoam with a given temperature is used. Here, the heated pouch cells are placed and the temperature development in the system is measured. After conducting formation cycles, the internal resistance is found by conducting Hybrid Pulse Power Characterization (HPPC) tests at different states of charge (SOC). The specific heat generation is then calculated from the internal resistance.

From the results gathered, the semi-solid state LIBs exhibits both a higher thermal conductivity and higher specific heat capacity. For the HPPC-testing, due to a broken current collector, broken tabs, or a suspected internal short circuit, only two of the conventional cells and unfortunately none of the semi-solid state cells were able to produce results. However, due to the increased thickness and therefore diffusion distance in the electrodes of the semi-solid state cells, the internal resistance and specific heat generation is expected to be greater than for the conventional cells.