Lifetime prediction on lithium-ion battery cell and system level

Hahn, Severin Lukas

• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2022
• Print ISBN: 9783736976290
• eBook ISBN: 9783736966291
• Edition: 1

Lithium-Ionen Batteriesysteme leiden unter elektrochemischen Degradations- und Ausfallmechanismen, die nur mit hohem Testaufwand abzusichern sind. Daher verfolgt diese Arbeit das Ziel, Prädiktionen des kalendarischen Kapazitätsverlustes und der Druckentwicklung auf Zell- und Systemebene zu verbessern. Eine fundamentale Inkonsistenz semi-empirischer kalendarischer Alterungsmodelle konnte aufgrund theoretischer Überlegungen aufgelöst werden, indem der Einfluss der initialen Anodendeckschicht berücksichtigt wird. Ein neuartiges Validierungskonzept, welches durch maschinelles Lernen inspiriert wurde, konnte die dadurch verbessere Prognosefähigkeit gegenüber der Literatur aufzeigen. Das Verhalten von Einzelzellen in repräsentativer Modulverspannung konnte auf einer neuen aktiv geregelte Zellpresse untersucht werden und schuf grundlegendes Verständnis. Die Presse ermöglichte damit die Systemmodellierung der Druckentwicklung, deren detaillierte Parametrisierung und die Messung des Gasverdrängungsdruckes von laminierten Zellen. Durch die Messung der Druckentwicklung in Alterungsversuchen von Modulen konnte die Modellprädiktion auf Systemebene erfolgreich für Moduldesigns validiert werden.

Table of contents

• Table of Contents
• List of abbreviations
• German Abstract: Zusammenfassung
• Abstract
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 Motivation and goals of the thesis
• 1.2 Contributions and structure of the thesis
• Chapter 2 Theoretical Foundation
• 2.1 Lithium-ion history and fundamentals
• 2.2 Cell construction and format considerations
• 2.3 Competing cell formats
• 2.4 Changing electrochemical environments
• 2.5 Non-destructive aging analysis
• 2.6 Post-mortem analysis
• Chapter 3 Experimental methods
• 3.1 Investigated cells
• 3.2 Cycling procedures
• 3.3 Reference parameter tests during aging
• 3.4 Cyclic aging experiments
• 3.5 Calendar aging experiments
• 3.6 Battery scale testing
• 3.7 Electrode harvesting
• 3.8 Homogeneity measurements
• 3.9 Gas measurements
• 3.10 Half and full-cell measurements
• 3.11 Inductive coupled plasma – optical emissionspectroscopy
• 3.12 Scanning electrode microscopy
• Chapter 4 Study on Calendaric Aging Models
• 4.1 Chapter summary
• 4.2 Introduction and insights from literature
• 4.3 Extended calendar aging model development
• 4.4 Quantitative validation technique
• 4.5 Calendar aging matrix
• 4.6 Accelerated aging matrix results
• 4.7 Aging models
• 4.8 Validation results and detection of overfitting models
• 4.9 Extended model results
• 4.10 Quantitative comparison of aging models
• 4.11 Discussion
• Chapter 5 Actively-controlled pneumatic press
• 5.1 Chapter summary
• 5.2 Introduction and insights from literature
• 5.3 Cell press design
• 5.4 Cell press operation modes
• 5.5 Validation results
• 5.6 Homogeneity validation
• 5.7 Requirement assessment
• 5.8 Discussion
• Chapter 6 Pressure Prediction Modeling
• 6.1 Chapter summary
• 6.2 Introduction and insights from literature
• 6.3 Investigated battery system
• 6.4 Mechanical characterizations
• 6.5 Electrical characterization overview
• 6.6 Electromechanical characterizations
• 6.7 Post-mortem analysis
• 6.8 Review of cell growth mechanisms
• 6.9 Model development
• 6.10 Modeling Results
• 6.11 Discussion
• Chapter 7 Conclusion
• 7.1 Summary
• 7.2 Perspective
• 7.3 Outlook
• Appendix A
• Appendix B
• Appendix C
• Appendix D
• References
• Curriculum vitae
• List of Figures
• List of Tables