Model-based Design and Evaluation of Fast-Charging Strategies for Lithium-Ion Battery Formation and Cyclization

Drees, Robin

doi:10.24355/dbbs.084-202312071454-0

Thesis Thu Dec 7 2023 CC BY-NC 4.0

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Model-based Design and Evaluation of Fast-Charging Strategies for Lithium-Ion Battery Formation and Cyclization

Drees, Robin

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The relatively high costs and long recharging time of lithium-ion batteries are among the main challenges for increased customer acceptance of battery electric vehicles. Current research focuses on designing fast formation processes during cell production to decrease the relatively long process time that leads to high manufacturing costs. Especially the first formation charging cycle is very long and often lasts 10 – 20 h in the industry. Not only the fast-charging capability during the formation process, but also during the use-phase must be improved. However, charging too quickly can reduce durability and safety due to the lithium-plating phenomenon. Therefore, the development of fast formation as well as fast recharging strategies that prevent lithium-plating are needed. Based on this research need, the main goal of this dissertation is the model-based design and experimental evaluation of different fast-charging strategies for the formation process as well as for the use-phase.

Three-electrode coin cells (ca. 12 mAh) and pouch cells (ca. 1400 mAh) with lithium-nickel0.6-manganese0.2-cobalt0.2-oxide (NMC622) and graphite electrodes were used for the investigations. Two model-based methods for designing optimized fast-charging strategies that prevent lithium-plating were developed. The first one is a black box model allowing real-time fast-charging control. The second one is an Electrode Equivalent Circuit Model (EECM), which enables predictive simulations of different fast-charging strategies.

Compared to different reference formation protocols (6 h), the black box model approach led to a 23% reduction in charging formation time at 20 °C for the pouch cells. At 40 °C, the charging formation time was reduced by 42%. The generated gas during the surface layer formation was found to be a limiting factor to the fast formation capability. Slow pre-charging until 50 mAh/gNMC, followed by degassing, enabled the subsequent fast-charging without degrading cell performance.

Although there were no initial cell performance differences directly after the formation, after ca. three months, all cells from 40 °C formations showed a ca. 10% higher resistance than all cells from 20 °C formations. This finding was correlated to copper corrosion for cells from 40 °C formations, which appeared on the outermost graphite electrode side, which had no opposite electrode. The copper corrosion was expected to contaminate the electrolyte, leading to depositions on the other electrodes.

The EECM approach enabled the simulation and evaluation of different fast-charging strategies during the use-phase (cyclization). The main limiting factor for the maximum current was found to be state of charge (SOC) inhomogeneities at the interface to the geometrical overhang of the graphite electrode due to lithium-ion diffusion. The fastest strategy for pouch cells without lithium-plating lasted 18.2 min for recharging 50% SOC at 40 °C. The fast-charging strategy was repeated 700 times and did not lead to accelerated degradation compared to a 1C reference cyclization, which was 65% slower. Moreover, only about 5% of capacity was lost during the 700 fast-charging cycles.

Overall, the developed methods and models allow the successful design of fast-charging strategies without leading to lithium-plating and accelerated cell performance degradation. Based on the discovered limitation effects, proposals for modified cell designs can be deduced that improve the fast-charging capability for the formation as well as for the use-phase.

Die relativ hohen Kosten und die lange Aufladezeit von Lithium-Ionen-Batterien sind zwei der größten Herausforderungen für die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen. Der erste Ladezyklus in der Formierung während der Zellproduktion dauert in der Industrie oft 10 – 20 Stunden und führt zu hohen Herstellungskosten. Nicht nur die Schnellladefähigkeit während der Produktion, sondern auch während der Nutzungsphase muss verbessert werden. Ein zu schnelles Laden kann jedoch zu einer geringeren Lebensdauer aufgrund von Lithium-Plating führen. Daher ist die Entwicklung von Schnellladestrategien erforderlich, welche Lithium-Plating vermeiden. Basierend auf diesem Forschungsbedarf ist das Ziel dieser Dissertation die modellbasierte Auslegung und Bewertung verschiedener Schnellladestrategien sowohl für den Formierungsprozess als auch für die Nutzungsphase.

Für die Untersuchungen wurden Drei-Elektroden-Knopfzellen (ca. 12 mAh) und Pouch-Zellen (ca. 1400 mAh) mit Lithium-Nickel0,6-Mangan0,2-Kobalt0,2-Oxid (NMC622) und Graphitelektroden verwendet. Es wurden zwei modellbasierte Methoden entwickelt zur Optimierung von Schnellladestrategien ohne Lithium-Plating. Die erste Methode ist ein Black-Box-Modell, das eine Regelung der Schnellladung in Echtzeit ermöglicht. Die zweite Methode ist ein Elektroden-Ersatzschaltbild-Modell (EESB), mit dem sich verschiedene Schnellladestrategien prädiktiv simulieren lassen.

Im Vergleich zu Referenzformierungen (6 h) führte der Black-Box-Modell-Ansatz zu einer Verringerung der Ladezeit um 23% bei 20 °C für die Pouch-Zellen. Bei 40 °C wurde die Ladezeit um 42% verkürzt. Dabei ist die Gasentstehung während der Formierung ein begrenzender Faktor für die Schnellladefähigkeit. Langsames Vorladen bis 50 mAh/gNMC und Entgasen ermöglichten das anschließende Schnellladen ohne Lithium-Plating oder Performancenachteilen der Zellen.

Obwohl es keine anfänglichen Leistungsunterschiede zwischen den Zellen direkt nach der Formierung gab, zeigten nach ca. 3 Monaten alle bei 40 °C formierten Zellen einen ca. 10% höheren Widerstand im Vergleich zu den bei 20 °C formierten Zellen. Dies wurde mit Kupferkorrosion in Verbindung gebracht, dass an der äußersten Graphitelektrodenseite des Elektrodenstapels der Pouch-Zellen auftrat, welche bei 40 °C formiert wurden. Es wurde angenommen, dass die Kupferkorrosion den Elektrolyten verunreinigt und zu Ablagerungen auf den anderen Elektroden führt.

Der EESB-Ansatz ermöglichte die Simulation und Bewertung verschiedener Schnellladestrategien während der Nutzungsphase. Als limitierender Faktor für den Maximalstrom wurden inhomogene Ladezustände an der Schnittstelle zum geometrischen Überhang der Graphitelektrode identifiziert. Die schnellste Strategie für Pouch-Zellen ohne Lithium-Plating dauerte 18,2 Minuten für das Aufladen von 0 – 50% SOC bei 40 °C. Die Schnellladestrategie wurde 700x wiederholt und führte nicht zu einer beschleunigten Degradation im Vergleich zu einer 1C-Referenzzyklisierung, die 65% langsamer war. Außerdem führten die 700 Schnellladezyklen nur zu etwa 5% Kapazitätsverlust.

Insgesamt ermöglichen die entwickelten Methoden und Modelle die erfolgreiche Entwicklung von sicheren Schnellladestrategien, ohne dass es zu einer beschleunigten Verschlechterung der Zellperformance kommt. Auf Basis der entdeckten Limitierungseffekte lassen sich fortschrittliche Schnellladestrategien und Zelldesigns ableiten, welche die Schnellladefähigkeit sowohl für die Formierung als auch für die Nutzungsphase verbessern.