Aging and electrochemical-thermal model of lithium-ion batteries

Al giorno d'oggi gli Electrical Energy Storages (EESs) svolgono un ruolo chiave nello scenario di transizione energetica che si sta verificando, al fine di ridurre l'inquinamento atmosferico e le emissioni di gas serra. Alcune fonti rinnovabili, come il solare o l'eolico, sono soggette a variazioni giornaliere o stagionali e l'utilizzo degli EESs assicura una disponibilità di energia quando richiesta. Questi infatti convertono l'energia da una forma, solitamente elettrica, ad un'altra, immagazzinandola. Tale energia sarà poi riconvertita in energia elettrica nel momento in cui l'utente ne fa richiesta. Negli ultimi anni il mercato dei veicoli elettrici (EVs) ha subito una forte crescita, molte case automobilistiche infatti hanno deciso di percorrere la strada delle zero emissioni. Questo lavoro prende in esame batterie a ioni litio ad alta densità energetica, perfette per questo settore. In particolare, la tesi volge lo sguardo verso un catodo ancora poco diffuso ma dalle alte prestazioni, Ni0.6Mn0.6Co0.2O2. Questo è stato fatto lavorare con due diversi anodi, la grafite, uno dei più comuni materiali anodici sul mercato, e con il litio metallico, per via del suo basso potenziale redox (-3.040 V vs standard hydrogen electrode) e della sua considerevole capacità (3860 mAh/g). Il lavoro di tesi si divide principalmente in due parti. Nella prima si sono studiati la perdita di capacità e i meccanismi di degradazione che avvengono durante i periodi di inattività delle batterie. Al fine di raccogliere dati utili in diversi istanti di tempo, una procedura di caratterizzazione si è alternata ai periodi di riposo. Tale procedura si compone di 4 parti: una prova di capacità, un test a current rate bassi, un test di resistenza agli impulsi di corrente ed infine i processi interni alla cella si sono studiati tramite spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS). La curva di impedenza ottenuta dall'EIS è stata fittata utilizzando un circuito equivalente e dal fittaggio si sono ricavati i valori dei diversi componenti del circuito. Nella seconda parte, invece, si è sviluppato un modello elettrochimico e termico usando un software agli elementi finiti, Comsol Multiphysics 5.5. Il modello rappresenta uno strumento utile per prevedere il comportamento delle celle e ottimizzare i parametri di design. L'approccio utilizzato in questo studio è il P2D, il quale permette di collegare efficientemente i fenomeni elettrochimici su piccola e ampia scala. I primi riguardano i processi diffusivi attraverso la superficie del materiale attivo; i secondi fanno riferimento ai processi di trasporto, principalmente unidirezionali. Questi due domini sono connessi tramite la legge di conservazione della specie. Oltre ai processi elettrochimici è interessante valutare l'andamento della temperatura durante i cicli di carica-scarica. Le reazioni esotermiche che avvengono all'interno della cella possono generare surriscaldamento, causando un più rapido deterioramento delle batterie e una diminuzione delle prestazioni. Al fine di evitare ciò e valutare preventivamente il comportamento termico di questo tipo di batterie un modello termico 3D è stato accoppiato al modello elettrochimico precedentemente descritto. Il modello finale è stato poi validato con celle assemblate in laboratorio. Un modello così accurato, usato come strumento predittivo, certamente permette di ridurre il numero di esperimenti in laboratorio.