Projektet är avslutat

Mathematical models for investigation of performance, safety and aging in Li-ion batteries

Säkerhet och livslängd är de två största hindren vid bruk av laddningsbara li-jonbatterier i elhybrider och i andra effektkrävande tillämpningsområden. Dessutom finns det fortfarande utrymme för förbättringar vad gäller batteriernas prestanda.

Tommy Zavalis har ägnat sitt doktorandprojekt åt att förstå de underliggande processer som påverkar batteriers prestanda, säkerhet och åldrande. Det har gjorts med hjälp av matematiska modeller som inkluderar batteriets fysikaliska egenskaper.

– Jag gillar modelleringsaspekten, säger han. Jag föredrar att arbeta med matematiska formuleringar framför experiment.

När processerna som påverkar batteriets prestanda undersöktes kunde man konstatera att masstransport i elektrolyten är en avgörande faktor, särskilt om batteriet förväntas belastas av höga strömmar under en längre tid.

Säkerhet relaterat till kortslutningar undersöktes och tre olika kortslutningsförlopp i en battericell modellerades. Det visade sig att skillnaderna i temperaturförhöjning, som dock var små, stod i relation till var kortslutningen uppstått i cellen. Särskilt i de fall där kortslutningen inte var i kontakt med strömtilledarna observerades både lägre ström och värme.

Investigated short cirtcuits in a prismatic lithium-ion battery cell
Ovan: Undersökta kortslutningar i en prismatisk li-jonbattericell. Grön Extern kortslutning. Röd Igenomslagen spik. Gul – Intern kortslutning p.g.a. förorening.

Åldring i battericeller studerades också, genom en modellanalys på elektroder från nya och åldrade celler. I en cell som cyklats enligt elhybridbetingelser hindrades masstransporten i elektrolyten av nedbrytningsprodukter. Denna faktor och att partiklarna i den positiva elektroden spruckit bidrog till att öka impedansen och därmed minska cellens prestanda.

Projektet avslutades i juni 2013. Tommy Zavalis ser tillbaka på arbetet:
-Trots att det ibland varit väldigt krävande, har arbetet gett mig mycket kunskap och erfarenhet kring energilagring och modellering.

Ladda ner rapporten: Mathematical models for investigation of performance, safety and aging in Li-ion batteries (138 KB)

Publikationer

Doctoral thesis >>

Analysis of the Polarization in a Li-Ion Battery Cell by Numerical simulations. A. Nyman, T. G. Zavalis, R. Elger, M. Behm, and G. Lindbergh. Journal of the Electrochemical Society, 157 (11), A1236-A1246 (2010)

Investigation of Short-Circuit Scenarios in a Lithium-Ion Battery Cell. T. G. Zavalis, M. Behm, and G. Lindbergh. Journal of the Electrochemical Society, 159 (6), A848-A859 (2012)

Aging in Lithium-Ion Batteries: Model and Experimental Investigation of Harvested LiFePO4 and MCMB Graphite Electrodes. T. G. Zavalis, M. Klett, M. H. Kjell, R. Wreland Lindström, M. Behm, and G. Lindbergh. Electrochimica Acta. 110, 335-348 (2013)

Characterization of Lithium Intercalation Processes of PAN-based Carbon Fibers in a Microelectrode System. M. H. Kjell, T.G. Zavalis, M. Behm, and G. Lindbergh. Journal of the Electrochemical Society, 160 (9), A1473-A1481 (2013)

Altered electrode degradation with temperature in LiFePO4/mesocarbon microbead graphite cells diagnosed with impedance spectroscopy. T. G. Zavalis, M. Klett, M. H. Kjell, R. Wreland Lindström, M. Behm, and G. Lindbergh. Electrochmica Acta. 141, 173-181 (2014)