Investigating Degradation and Lithium Plating Detection in Lithium-ion Batteries

Abstract

Litium-ionebatterier (LiB) er avgjørende i moderne energilagringsløsninger, og deres bemerkelsesverdige vekst forventes å øke i takt med det verdensomspennende grønne skiftet. Til tross for sine fordeler, har LiBs utfordringer knyttet til degradering over tid, noe som begrenser deres ytelse, levetid og bærekraft. Under temperaturer lavere enn omgivelsestemperatur og ved høye C-rater kan metallisk litium deponeres på grafittanoder, noe som er skadelig både for degraderingen og sikkereheten til LiB. Derfor er det avgjørende med utvikling av karakteriseringsteknikker som kan begrense disse effektene og gi en bedre forståelse av LiBs elektrokjemiske oppførsel. Denne oppgaven tar sikte på å undersøke de underliggende mekanismene for degradering av kommersielle litium-ionebatterier og videre validere deteksjonsteknikker for litium (Li)-plettering.

I denne studien ble kommersielle litium-ionbatterier av typene XALT 31 Ah og Li-Fun 200 mAh forberedt i laboratoriet og kjørt gjennom skreddersydde eksperimentelle protokoller. Battericellene ble testet under diverse temperaturer (fra 5°C til 35°C) og C-rater (C/20 til 4C) for å undersøke deres elektrokjemiske og fysiske egenskaper under varierende syklingsforhold. Ikke-invasive elektrokjemiske karakteriseringsteknikker som spenningsrelaksjonskurver (VRP) ble benyttet for å detektere begynnelsen av Li-plettering etter hvert ladetrinn. I tillegg ble post-mortem-analyser gjennomført ved bruk av skanning elektronmikroskopi (SEM) for å validere den elektrokjemiske karakteriseringen.

Resultatene av dette arbeidet viser at betydelig kapasitetstap oppstår ved temperaturer lavere enn omgivelsestemperatur og ved høye laderater for alle celletyper, noe som understreker viktigheten av temperaturer og laderater som nøkkelfaktorer for degradering. I tillegg ble betydelig varmeutvikling ved høye C-rater observert og må tas i betraktning. Videre indikerer resultatene at bruk av VRP som en ny deteksjonsteknikk for Li-plettering er effektiv for visse typer av litium-ionebatteri. I både usyklede og alderede XALT-celler vises interkalering av reversibelt plettert litium som et tydelig platå i åpen cellespenning under hvile. Begrensninger i VRPs repeterbarhet på tvers av forskjellige celletyper som Li-Fun-celler, tyder imidlertid på behov for ytterligere forbedring. SEM kan utnyttes som en effektiv post-mortem karakteriseringsteknikk for å avsløre forskjeller i overflatemorfologi og verifisere forekomsten av Li-plettering.

Det ble konkludert med at dersom de viktigste begrensningene overvinnes, tilbyr VRP en praktisk tilnærming til å forbedre avanserte batteristyringssystemer, som potensielt kan muliggjøre revolusjonerende hurtigladeprotokoller som kan redusere ladetider, celledegradering og sikkerhetsbekymringer.

Lithium-ion batteries (LiBs) are pivotal in modern energy storage solutions, and their remarkable growth in demand is expected to increase following the world-encompassing green energy transition. Despite their advantages, LiBs face challenges linked to degradation over time, which impede their performance, longevity, and sustainability. At sub-ambient temperatures and high C-rates, metallic lithium deposited on graphite anodes is particularly detrimental to both the degradation and safety of LiBs. Hence, developing characterization techniques that can mitigate these effects and provide a better understanding of LiBs' electrochemical behaviour is crucial. This thesis aims to investigate the underlying mechanisms of degradation in commercial lithium-ion batteries and further validate lithium plating detection techniques.

In this study, commercial XALT 31 Ah and Li-Fun 200 mAh lithium-ion batteries were prepared in the laboratory and run through tailored experimental protocols. The cells were tested under various temperatures (from 5°C to 35°C) and charging rates (from C/20 to 4C) to explore their electrochemical and physical characteristics under varying cycling conditions. Non-invasive electrochemical characterization techniques, such as voltage relaxation profiles (VRP), were employed to detect the onset of lithium plating after each charge step. Additionally, post-mortem analyses through scanning electron microscopy (SEM) were carried out to validate the electrochemical characterization.

The results of this work show that significant capacity fade occurs at sub-ambient temperatures and high charge rates for all cell types, highlighting the importance of temperatures and charge rates as key degradation factors. In addition, significant cell heat generation at high C-rates was observed and must be considered. Furthermore, the results indicate that utilizing VRP as a novel lithium plating detection technique is effective for certain types of LiBs. In both pristine and aged XALT cells, intercalation of reversibly plated Li-ions is visible as a distinct plateau in the open-circuit voltage during rest. Nonetheless, limitations in VRP's repeatability across different cell types such as Li-Fun cells, suggest a need for further improvement. Utilizing SEM is an effective post-mortem characterization technique to reveal differences in surface morphology and verify the occurrence of lithium plating.

It was concluded that if the main limitations are overcome, VRP offers a practical approach to enhancing advanced battery management systems, potentially enabling revolutionary fast-charging protocols that can mitigate charge times, cell degradation and safety concerns.