In-situ measurements of lithium-ion concentrations in a lithium-ion battery using fiber-optical sensors

Abstract

I denne oppgaven er en single-mode optisk fiber implementert i et litium-ion batteri (LiB) for å måle endringen i konsentrasjonen i batteriet. Ettersom behovet for energilagring øker, på grunn av vekst i fornybar energiproduksjon, rettes fokus mot forskning og produksjon av LiB som en utprøvd og lovende teknologi. Et av de største problemene med LiB er imidlertid levetiden til batteriene, noe som fører til et behov for bedre kunnskap om kapasitetsendringene og konsentrasjonsendringene av litium i batteriene. Foreløpig har litiumkonsentrasjonen blitt målt post-mortem, men få studier er gjort in-situ. Derfor er målet med denne studien å måle endringen i konsentrasjon mens batteriet kjører gjennom sykluser. Dette vil bli gjort basert på endringene i brytningsindeksmåling av en optisk fiber. Sensoren er temperatur- og konsentrasjonskalibrert. Deretter går batteriene gjennom CCCV-sykluser på C/20, C/10, C/2, 1C, 2C og 3C. Resultatene viser at målingene av reflektert intensitet og konsentrasjon kan variere avhengig av flere variabler, men at det under syklusene ble dannet et SoC-avhengig mønster. Dette er viktig fordi det viser at sensoren fungerer og kan brukes til å få en bedre forståelse av endringen i konsentrasjon og kapasitet.

In this thesis, a single-mode optical fiber has been implemented into a lithium-ion battery (LiB) to measure the change in concentration in the battery. As the need of energy storage is increasing, due to growth in renewable energy production, a focus is directed toward the research and production of LiB as a proven and promising technology. However, one of the biggest problems of LiB is the lifespan of the batteries, leading to a need for a better knowledge of the capacity changes and the concentration changes of lithium in the batteries. As of now, lithium concentration has been measured post-mortem, however, few studies have been done in-situ. Therefore, the aim of this study is to measure the change in concentration while the battery is cycling. This will be done based on the changes in the refractive index measured by an optical fiber. The sensor is temperature and concentration calibrated. Then the batteries are cycled through CCCV cycles of C/20, C/10, C/2, 1C, 2C and 3C. The results show the measurements of reflected intensity and concentration could vary depending on several variables but that during cycling a SoC-dependent pattern was formed. This is important because it shows that the sensor is working and can be used to get a better understanding of the change in concentration and capacity.