Tesis:
Battery performance analysis and parameterisation through advanced modelling techniques
- Autor: AYERBE OLANO, Elixabete
- Título: Battery performance analysis and parameterisation through advanced modelling techniques
- Fecha: 2023
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. AERONÁUTICA Y DEL ESPACIO
- Departamentos: MATEMATICA APLICADA A LA INGENIERIA AEROESPACIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/73318/
- Director/a 1º: VARAS MÉRIDA, Fernando
- Resumen: Scientific interest in improving and also accelerating high-performance batteries has greatly increased over the past decade. Despite their immense promise, lithium-ion batteries (LIBs) and solid-state batteries (SSBs) continue to face multiple challenges that must be overcome before their successful commercialisation in Electric Vehicles (EVs). To this end, it is believed that efficient models (or even fast models) are needed to further assist designers in the battery development phase. In addition, to ensure good model fidelity, the sensitivity of the parameters and their dependence on internal parameters need to be carefully addressed and properly quantified.
The aim of this thesis is to contribute to the battery development phase, speeding up the procedure and reducing the number of experimental work required by developing an efficient tool based on dimensionless analysis and the appropriate design of experiments to ensure accuracy in the parameterisation activities.
To begin with, the dimensionless analysis methodology to identify the limiting mechanisms in the battery cell performance is argued. The dimensionless parameters are obtained by condensing the physical dimensional parameters involved in the description of the electrochemical phenomena taking place in the battery cell. In the following, two application cases are considered to show the potentiality of the dimensionless analysis approach. First, to demonstrate the effectiveness of the proposed procedure, the analysis of graphite electrodes performed by Malifarge et al. [Malifarge et al 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] is reviewed to confirm that dimensionless parameters (of the graphite half-coin cells analysed in the study) are able to anticipate the results in [Malifarge et al. 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] with negligible cost (in temporal, economic or computational terms). Second, the characteristic properties of a solid hybrid polymer battery presented by Park et al. [Park et al. 2018 Solid State Ionics 315 65–70] are calculated. By analysing the resulting dimensionless parameters, the identification of the main physical phenomena limiting the battery performance is carried out. As a demonstration of the proposed methodology, the limiting mechanisms identified and predicted by the dimensionless analysis are numerically verified.
Then, the limiting mechanisms of a prototype SSB cell manufactured at CIDETEC have been analysed in detail. As demonstrated, the experimental results confirm the predictions made by the dimensionless analysis. First, CIDETEC manufactures a reference PEO-based SSB cell. After the complete parameterisation of the battery, performed experimentally, the dimensionless parameters are calculated. With the resulting values, new cell design configurations are proposed and validated against numerical codes first and experimentally by manufacturing the new cell components and testing them in the laboratory.
Finally, the identifiability of the diffusion coefficient in the electrolytic phase is analysed in detail and an improved parameterisation methodology compared to the state of the art is derived. Thus, the novel methodology developed exploits the non-linear behaviour of the Li-Li cell dynamics by solving the model numerically and order reduction techniques are applied to reduce the computational cost. For this purpose, ROM and DEIM techniques have been implemented to guarantee a high accuracy of the model. The resulting identification methodology is able to significantly reduce the experimental effort required to characterise the electrolyte concentration-dependent transport properties compared to the state-of-the-art approach, since the model retains nonlinearities and, therefore, broader pulse conditions can be applied, ensuring identifiability.
RESUMEN
El interés científico por mejorar y también acelerar el desarrollo de las baterías de altas prestaciones ha crecido exponencialmente durante la última década. A pesar de su inmensa promesa, las baterías de iones de litio y las baterías de estado sólido siguen enfrentándose a múltiples retos que deben superarse antes de su comercialización con éxito en los vehículos eléctricos. Con respecto a esto, se espera que los modelos multifísicos eficientes ayuden a los diseñadores en la fase de desarrollo de las baterías. Además, para garantizar una buena precisión de dichos modelos, es necesario abordar detenidamente la sensibilidad de los parámetros, retener su dependencia con los parámetros internos y cuantificarlos adecuadamente.
El objetivo de esta tesis es contribuir a la fase de desarrollo de las baterías, acelerando el procedimiento y reduciendo la carga experimental mediante el desarrollo de una herramienta eficiente basada en el análisis adimensional y en el diseño adecuado de los experimentos para asegurar la precisión en las actividades de parametrización.
En primer lugar, se define la metodología de análisis adimensional para identificar los mecanismos limitantes que harán mermar las prestaciones de las baterías. Los parámetros adimensionales se obtienen agrupando los parámetros físicos dimensionales que intervienen en la descripción de los fenómenos electroquímicos que tienen lugar en la celda de la batería. Después, como prueba de concepto de la metodología, se consideran dos casos de aplicación. En primer lugar, para demostrar la eficacia del procedimiento propuesto, se revisa el análisis de electrodos de grafito realizado por Malifarge y col. [Malifarge et al. 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] para confirmar que los parámetros adimensionales (de las semiceldas de grafito analizadas en el estudio) son capaces de anticipar los resultados anunciados en su trabajo [Malifarge et al. 2018 J. Electrochem. Soc. 165 A1275] con un coste insignificante (en términos temporales, económicos y computacionales). En segundo lugar, se calculan las propiedades características de una batería de polímero híbrido sólido presentada por Park y col. [Park et al. 2018 Solid State Ionics 315 65–70]. Mediante el análisis de los parámetros adimensionales resultantes, se realiza la identificación de los principales fenómenos físicos que limitan la batería. Como demostración de la metodología propuesta, se verifican numéricamente los mecanismos limitantes identificados y predichos por el análisis adimensional.
Después, se analizan detenidamente los mecanismos limitantes de un prototipo de celda de electrolito sólido desarrollado y manufacturado en CIDETEC. Los resultados experimentales confirman las predicciones realizadas por el análisis adimensional. Para ello, se fabrica en CIDETEC una tecnología de electrolito sólido de referencia basada en óxido de polietileno. Tras la parametrización completa de la celda, se calculan los parámetros adimensionales. Con los valores resultantes, se proponen nuevas configuraciones de diseño de las celdas, que se validan contra los códigos numéricos primero y experimentalmente mediante la fabricación de los nuevos componentes de las celdas y su ensayo posterior en el laboratorio.
Finalmente, se analiza en detalle la identificabilidad del coeficiente de difusión en la fase electrolítica y se deriva una metodología de parametrización mejorada respecto al estado del arte. Así, la novedosa metodología desarrollada explota el comportamiento no lineal de la dinámica de la celda de Li-Li resolviendo el modelo numéricamente y se aplican técnicas de reducción de orden para reducir el coste computacional del mismo. Para ello, se han implementado técnicas de Descomposición Ortogonal Propia y Método de interpolación empírica discreta que garantizan una elevada precisión del modelo. La metodología de identificación resultante es capaz de reducir significativamente el esfuerzo experimental necesario para caracterizar las propiedades de transporte dependientes de la concentración del electrolito en comparación con el enfoque más avanzado, ya que el modelo conserva las no linealidades y, por tanto, se pueden aplicar condiciones de pulso más amplias, garantizando la identificabilidad.