Physics-Based Modelling for SEI and Lithium Plating During Calendar and Cycling Ageing

Abstract: Målet med projektet var att undersöka samt implementera en fysikbaserad DFN modell för att simulera kalender samt cyklingåldrande av litiumbatterier som används i elbilar. Den fysikbaserade modellen var konstruerad baserad på ett Python biblioteket vid namn PyBaMM, vilket till skillnad från datadrivna modeller ger essentiell information om de kemiska processerna inuti batteriet. Den första delen av projektet täcker konceptet av kalenderåldring, vilket inkluderar en jämförelse mellan tre olika tre olika hastighetsbegränsande SEI modeller. Parametrar som påverkar det erhållna resultatet från modellen är identifierade, estimerade, och till slut validerade för att säkerhetsställa att modellen och parametrarna är identifierbara gentemot experimentella data. Resultatet av jämförelsen gav att SEI tillväxt begränsad av litium interstitiell diffusion är den mest optimala modellen att applicera när kalenderåldring för litiumbatterier ska modelleras. Resultaten visade också att endast en parameter, inre SEI litium interstitiell diffusivitet ska justeras för att erhålla optimal anpassning mot experimentella data. Andra delen av projektet använde resultatet från den första delen och litium plätering implementerades som en andraåldringsmekanism som undersöktes under tre olika laddningsprotokoll. Modellen var optimerad och anpassad gentemot experimentella data, där parametervärdet för kinetisk hasighetskonstanten för plätering var estimerad. Den optimerade modellen användes därefter för att erhålla mer information om elektrokemiska variabler för att kunna analysera samt beskriva åldringsprocessen utan att behöva genomföra praktiska laborationer. Resultaten visade att mängden pläterat litium på den negativa elektroden ökade för celler som var exponerade till högre ström under laddningsprocessen, samt när cellerna var laddade vid höga SoC nivåer. Sammanfattningsvis, visade modellen hög potential att representera och evaluera experimentella data, samt tillhandahålla en inblick i elektrokemiska processer och kapacitetsförluster länkade till SEI tillväxt och litium plätering. Däremot, för att erhålla en högre grad noggrannhet av elektrokemiska åldringsmekanismer i litiumbatterier, fler ytterligare mekanismer måste implementeras såsom mekanisk stress av både negativ och positiv elektrod.