From the production of the single cell to the end of life of the battery module: the development of parameter variation of lithium-ion cells

Abstract

(English) In lithium-ion batteries, depending on the requirements, many individual cells are connected in series and parallel. Despite very similar individual cell parameters after production, they can develop differently during the subsequent ageing process due to intrinsic and extrinsic influences. A pronounced parameter variation of the assembled cells ultimately leads to a reduced utilisation of the lithium-ion battery and thus also to a reduced lifetime. The aim of this work is therefore to gain a better understanding of the origin and development of parameter variation during the ageing process. The work is divided into three major parts.

At the beginning, parameters such as capacity and internal resistance of 480 brand-new cells of one production batch are recorded. The obtained values allow the calculation of the production-related parameter variation of the cells. In order to investigate the development of the parameter variation during cell ageing, numerous ageing tests are carried out in this work. These are divided into single cell tests and module tests.

With the help of single cell ageing tests, the development of the parameter variation of unconnected cells is investigated. Here, several cells are combined into groups and aged under identical conditions. In order to show the influence of different operating conditions on the parameter variation during single cell ageing, the cell groups are aged at different temperatures and different load currents. Finally, by ageing various self-built modules, the development of the parameter variation of cells connected in series and in parallel is investigated. By varying the load current and the number of cells connected in parallel, further dependencies are investigated.

The measured data show that both the load on the cells and the ambient temperature have a decisive influence on the development of parameter variation. Operating conditions near the lithium plating boundary are particularly problematic. Since the onset of lithium plating varies slightly between the ageing cells, there are extreme differences in the ageing rate over a certain period of time. This ultimately leads to large parameter variations in the tests carried out.

The cells used in this work are cylindrical cells in 18650 format with a nominal capacity of 2.6 Ah (Samsung ICR18650-26J). The high-energy cells consist of a NMC cathode and a graphite anode.

(Català) Les bateries de ions de liti estan formades per l’associació sèrie i paral·lel de diferents cel·les en funció dels requeriments. Malgrat que els processos productius asseguren molt poques variacions en la fabricació, aquestes poden evolucionar en el temps de manera diferent degut a les influències internes o externes. Si aquesta variació dels paràmetres de cada cel·la és molt gran es reduirà la capacitat i la vida útil de la bateria. L’objectiu d’aquest treball és aprofundir en el coneixement de l’origen dels fenòmens que provoquen la variació dels paràmetres característics de la bateria durant el seu ús i el pas del temps. El treball està dividit en tres grans parts. Inicialment, s’han mesurat paràmetres com la capacitat o la resistència interna de 480 cel·les noves del mateix lot. Els valors obtinguts han permès calcular la variació de paràmetres deguda al procés productiu. Per tal d’investigar la variació dels paràmetres també durant l’ús i envelliment de les cel·les s’han realitzat tests tant de cel·les individuals com de mòduls de bateries. Amb l’ajut de l’envelliment de cel·les individuals s’investiga l’envelliment de cel·les no connectades entre elles. A partir d’aquest punt, diferents cel·les s’han convinat en grup i s’han envellit en les mateixes condicions. Per tal de poder observar la influència de les diferents condicions d’operació en la variació dels paràmetres durant l’envelliment, altres grups s’han envellit en diferents condicions de temperatura i càrrega. Finalment, mitjançant l’envelliment de diferents grups de cel·les connectades en sèrie i en paral·lel formant una bateria s’han envellit i monitoritzat els seus paràmetres. Les dades obtingudes mostren que tant el nivell de càrrega de les cel·les com la temperatura ambient tenen una influència decisiva en la variació dels paràmetres. Condicions d’operació properes a la metal·lització del liti (lithium plating) són particularment problemàtiques. Atès que l'inici de la metal·lització del liti varia lleugerament entre les cèl·lules envellides, existeixen diferencies extremes entre cel·les. Això provoca grans variacions dels paràmetres de les cel·les envellides. Les cel·les usades en aquest treball són cilíndriques del tipus 18650 amb una capacitat nominal de 2.6 Ah. Les cel·les, d’alta energia, consisteixen un càtode NMC i un ànode de grafit