Lithium-ion battery performance and degradation in stationary energy storage
2024 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Sustainable development
SDG 7: Affordable and clean energy, SDG 11: Sustainable cities and communities
Abstract [en]
Electrification is our most promising strategy to create a sustainable energy system and decrease our dependence on fossil fuels. A balanced power grid system is the backbone of the electrified society, distributing electricity from renewable energy sources and powering our vehicles, industries, and electronics. Lithium-ion batteries are a key technology for both stationary and mobile energy storage and their optimal utilization should be carefully considered. Various degradation mechanisms contribute to performance fade in lithium-ion batteries. A key area of battery research is therefore to detect and characterize these mechanisms and predict their effects on battery performance. In this thesis, the performance of batteries is investigated in battery energy storage system (BESS) applications. The research questions cover different types of grid balancing services, methods to evaluate battery state of health (SOH) as well as the mechanisms causing the capacity and power fade. A combination of physics-based modelling and electrochemical techniques are applied, and the results combined to better understand the degradation and its consequences.
Frequency regulation, peak shaving, as well as a multi-service application are studied to evaluate battery performance and degradation stress factors and recommendations on operating conditions are developed. Cells with less than 65% of their nominal capacity are successfully utilized in a second application but evaluating SOH by the traditional methods is found to be insufficient. By updating electrochemical parameters in a physics-based model against data from the aged cells, sources of the performance loss are identified. This approach is further advanced as electrochemical impedance spectroscopy isused for parameter estimation. Cell degradation coupled to electrolyte consumption is highlighted. An improved SOH evaluation metric is suggested to explain the phenomenon of degradation resulting in uneven current distribution. This improved understanding of the internal cell degradation and in situ methods for quantitative evaluation will contribute to smarter utilization and longer battery lifetime.
Abstract [sv]
Elektrifiering är vår mest lovande lösning för att skapa ett hållbart energisystem och minska vårt beroende av fossila bränslen. Ett välbalanserat elnät är ryggraden i det elektrifierade samhället, med elproduktion från förnybara energikällor som laddar våra fordon, industrier och elektronik. Litiumjonbatterier är en viktig teknik för både stationär och mobil energilagring och optimal användning bör noga utvärderas. Prestationsförlust på grund av olika åldringsmekanismer är ett välkänt problem med litiumjonbatterier. Det är även utmaningen med att upptäcka och karakterisera dessa mekanismer, samt deras bidrag till prestationsförlusten. I denna avhandling studeras batteriers tillämpning i batterilagringssystem(BESS). Forskningsfrågorna inkluderar möjliga elnätsapplikationer, metoder för att utvärdera batterihälsa (SOH), samt mekanismerna som orsaker kapacitets- och effektförlust. Fysikbaserad modellering i kombination med elektrokemiska metoder tillämpas, och resultaten utvärderas för att bättre förstå batteriåldringen och dess konsekvenser.
Frekvensreglering, kapning av effekttoppar, samt en kombinerad tillämpning studeras, för att utvärdera batteriprestation och stressfaktorer för åldring. Rekommendationer för batteritillämpning och styrning utformas. Batterier med under 65% av den initiala kapaciteten kvar tillämpas även framgångsrikt i en ”andra-applikation”, men utvärderingen av SOH med traditionella metoder visas vara otillräcklig. Genom att uppdatera elektrokemiska parametrar i en fysikbaserad modell, mot data från de åldrade cellerna, identifieras källor till prestationsförlusterna. Denna metod blir vidare utvecklad då elektrokemisk impedansspektroskopi används för parameteruppskattning. Batteriåldring kopplad till elektrolytkonsumtion identifieras som en betydande faktor. Det gör även åldring som leder till ojämn strömfördelning i elektroderna och en förbättrad metod för utvärdering av SOH utifrån dessa faktorer presenteras. Med denna utvecklade förståelse för batteriåldring och in situ metoder för att kvantitativ utvärdering, kan batterier tillämpas smartare och livslängden förlängas.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2024. , p. 60
Series
TRITA-CBH-FOU ; 2024:47
Keywords [en]
Lithium-ion battery, degradation, stationary energy storage, electrochemical methods, physics-based modelling, parameter estimation, BESS, EIS, DVA, CDA
Keywords [sv]
Litiumjonbatteri, åldring, stationär energilagring, elektrokemiska metoder, fysikbaserad modellering, parameteruppskattning, BESS, EIS, DVA, CDA
National Category
Chemical Engineering
Research subject
Chemical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-355111ISBN: 978-91-8106-099-7 (print)OAI: oai:DiVA.org:kth-355111DiVA, id: diva2:1907507
Public defence
2024-11-22, K1, Teknikringen 56, https://kth-se.zoom.us/webinar/register/WN_-cR6rkTsSxSNmP2GKyugCg, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note
QC 20241023
2024-10-232024-10-222024-11-04Bibliographically approved
List of papers