Investigation of Degradation Mechanisms in Lithium-ion Batteries

Abstract

Degradering av batterier utgjør en av de mest kritiske utfordringene innen batteriforskning, ettersom det begrenser energikapasiteten over batteriets levetid. Å forstå aldringsegenskapene er av avgjørende betydning for å optimalisere designet av batterisystemer, og styrke bærekraften. Denne oppgaven undersøker hvordan ulike temperaturer påvirker batteridegradering for to forskjellige typer batterier: en litium koboltoksid (LCO) posecelle produsert av Melasta og en litiumnikkelmangan koboltoksid (NMC) posecelle produsert av Grepow. Dette gjøres som et samarbeid med Revolve NTNU for å finne den mest optimale løsningen for deres racerbil.

I den første delen av oppgaven blir den komplekse strukturen til litium-ion-batterier (LIBer) forklart, med fokus på deres hovedkomponenter og roller i batteridrift. Deretter følger en gjennomgang av ulike mål for batteriytelse som er relevante for denne oppgaven. Hovedårsakene og mekanismene til degradering i LIBer blir også presentert i teoridelen.

Videre presenteres testmetodologien, inkludert detaljer om ladesykluser og oppsett, og en forklaring av de anvendte karakteriseringsteknikkene. Det ble gjennomført omfattende testing og karakterisering av ulike LIBer ved hjelp av metoder som konstant strøm - konstant spenning (CCCV) og karakterisering av hybrid pulskraft (HPPC).

Hovedmålet med oppgaven er å undersøke hvordan ulike temperaturer på 25, 35 og 45 °C påvirker batteridegraderingen for de to valgte batteriene. Med tanke på LIBer sin betydning i nesten alle sekundærbatteri applikasjoner, inkludert elektriske kjøretøy (EV), er det avgjørende å forstå temperaturens innvirkning for å kunne identifisere muligheter for å minimere degradering.

I resultat- og diskusjonsdelen analyseres endringen i helsetilstanden (SOH), samtidig som Arrhenius-adferd, indre motstand og en inkrementell kapasitetsanalyse (ICA) utføres for å utforske sammenhenger med degradering. Resultatene indikerer at temperatur har størst påvirkning på degraderingen av Melasta-batteriene. Disse resultatene samsvarer godt med teorien og viser en økende nedgang i SOH-verdier med stigende temperaturer, noe som er et typisk degraderingsmønster. Samtidig viser resultatene for Grepow noe uvanlig oppførsel, med den største nedgangen i SOH for batteriet testet ved 25 °C, mens batteriene testet ved 35 og 45 °C nesten ikke viser noe endringer i SOH-verdier. Testing av batterier over en lengre tidsperiode ville ha vært mer optimalt for å forstå hvordan temperaturer påvirker degradering over tid, og for å undersøke andre faktorer som påvirker degraderingen, for eksempel ulike C-rater.

Battery degradation is one of the most critical problems to be managed in battery research, as it limits the energy capacity over a battery's lifespan. Understanding the degradation behavior is essential for optimizing the design of battery systems and enhancing sustainability. This thesis analyses the influence of various temperatures on battery degradation for two different types of batteries: a lithium cobalt oxide (LCO) pouch cell, produced by Melasta, and a lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) pouch cell by Grepow. This is done in collaboration with Revolve NTNU to find the most optimal solution for their race car.

The main goal is to investigate how the different temperatures of 25, 35, and 45 °C affect the degradation of the two selected batteries. Given the significance of LIBs in nearly all secondary battery applications, including electric vehicles (EVs), fully understanding the impact of temperature is crucial for identifying options that offer minimal degradation.

In the first part of the thesis, the complex structure of lithium-ion batteries (LIBs) is explained, highlighting the key components and their roles in battery operation. Following this, the most relevant battery performance metrics for this thesis are explained. The main degradation causes and mechanisms in LIBs are also presented as a part of the theory.

The test methodology is then introduced, detailing the degradation cycles and setup, and explaining the characterization techniques used. Comprehensive testing and characterization of different LIBs were conducted, employing methods such as constant current - constant voltage (CCCV) and hybrid pulse power characterization (HPPC).

The results and discussion section analyses the change in state of health (SOH), while also examining Arrhenius behaviour, internal resistance and conducting an incremental capacity analysis (ICA) to explore correlations with degradation. The results show that temperature influences the degradation most for the Melasta batteries. The results for these aligned with expectations based on the theory, showing that the decrease in SOH values increased with higher temperature, which is a typical degradation pattern. Conversely, the results for Grepow exhibited some atypical behavior, with the most significant decrease in SOH values occurring in the battery tested at 25 °C, while the batteries tested at 35 and 45 °C showed almost no changes in SOH values. However, testing the batteries for a longer period would have been optimal to better understand how temperature affects degradation over time, and to investigate other factors impacting degradation, such as C-rates.