Influence of operating conditions on the aging of large-format lithium iron phosphate battery cells: From laboratory conditions to a home storage system

Die installierte Energiekapazität erneuerbarer Energieerzeugungssysteme nimmt weltweit zu aufgrund der Umsetzung von Dekarbonisierungsmaßnahmen. Infolge der Unbeständigkeit der erneuerbaren Energiequellen kommt es häufig zu einem Ungleichgewicht zwischen Lastnachfrage und Energieangebot. Stationäre Energiespeichersysteme dienen als Puffer, um überschüssige Energie zu speichern und somit eventuelle Energiedefizite auszugleichen. Für private Anwendungen sind Batteriespeichersysteme (BESS) eine attraktive Lösung, um die Autarkie eines mit Photovoltaik ausgestatteten Haushalts zu erreichen. ... mehrTrotz des Preisrückgangs machen die Batteriekosten jedoch immer noch den größten Teil der Investitionskosten für BESS aus. Daher sind die Abschätzung der Batterielebensdauer und die Entwicklung von Betriebsstrategien zur Verhinderung von Alterungsprozessen von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von BESS.
Lithium-Eisenphosphat (LFP) Lithium-Ionen-Batterien werden aufgrund ihrer geringen Kosten, langen Lebensdauer und Sicherheit häufig für BESS in Privathaushalten verwendet. Während zahlreiche Forschungsarbeiten mit Zellen geringer Kapazität im Labor durchgeführt werden, gibt es nur wenige groß angelegte Untersuchungen zur Lebensdauer und den Alterungseigenschaften kommerzieller BESS mit LFP-Zellen. Diese Doktorarbeit untersucht das realitätsnahe Alterungsverhalten eines haushaltsüblichen BESS, das mit großformatigen (180 Ah) LFP-Zellen ausgestattet ist. Ziel ist es, eine Methode zu entwickeln und zu implementieren, mit der die Alterung auf Zell-, Stack- und Systemebene untersucht werden kann. Die experimentellen Daten werden außerdem im Hinblick auf Degradationsmodi analysiert, um die zugrundeliegenden Mechanismen des Kapazitätsverlustes zu identifizieren.
Jede Zelle wurde zunächst einer detaillierten elektrischen Charakterisierung unterzogen, die aus der Messung der charakteristischen Lade-/Entladekurven und der Innenwiderstände bei unterschiedlichen Stromstärken und Temperaturen bestand. Im Anschluss an die elektrische Charakterisierung wurden einige exemplarische Zellen in einer Glovebox unter Inertgasatmosphäre geöffnet, um ihre Struktur zu untersuchen, wobei Größe und Gewicht der Zellkomponenten gemessen wurden. Die Morphologie und die chemische Zusammensetzung von Elektrodenproben aus den geöffneten Zellen wurden mittels Lichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Die Ergebnisse der detaillierten initialen Charakterisierung der Einzelzellen wurden zur Erstellung eines vollständigen und konsistenten Parametersatzes für jede Zelle verwendet. Der Referenzdatensatz wurde außerdem für den Vergleich der Ergebnisse periodisch durchgeführter Performancetests mit dem anfänglichen Alterungszustand der Einzelzellen während der Alterungsexperimente verwendet.
Das realitätsnahe Alterungsexperiment wurde durchgeführt, indem über einen Zeitraum von 1000 Tagen die Veränderungen der Alterungsindikatoren zweier kommerzieller, haushaltsüblicher BESS untersucht wurden, die in ein Microgrid integriert waren. Die Batteriestacks beider Systeme bestanden aus LFP-Zellen aus derselben Charge von Zellen, die der beschriebenen detaillierten Charakterisierung unterzogen wurden. Allerdings wurden sie in unterschiedlichen Konfigurationen (seriell und parallel) aufgebaut. Durch diesen Vergleich konnten Auswirkungen der Systemarchitektur auf die Alterung untersucht werden. Trotz unterschiedlicher Betriebsspannungen und Stromstärken konnte jedoch am Ende der Messungen keine vorteilhafte Systemarchitektur festgestellt werden. Zusätzlich wurden zwei LFP-Zellen (identisch mit den Batteriestack-Zellen) bei konstanter Umgebungstemperatur (20 °C) mit kontinuierlichen vollständigen Lade-/Entladezyklen mit konstantem Strom getestet, der höher als der maximal auftretende Strom der BESS-Zellen war. Hinsichtlich des Kapazitätserhalts bezogen auf äquivalente Vollzyklen übertrafen beide Zellen die BESS-Stacks. Die vergleichenden Alterungsuntersuchungen auf Zell-, Stack- und Systemlevel zeigen, dass ein gutes Wärmemanagement auch unter härteren Betriebsbedingungen zu einer längeren Lebensdauer führen kann.
Die individuellen Auswirkungen von Temperatur und Lastprofil auf die Alterung wurden anhand von Einzelzellenversuchen bei kontrollierter Umgebungstemperatur untersucht. Zu diesem Zweck wurden sechs Testgruppen von Einzelzellen bei zwei verschiedenen Umgebungstemperaturen (35 °C und 50 °C) getestet, um drei realistische Alterungsszenarien zu repräsentieren (kontinuierliches Zyklieren, vollständig geladene Lagerung und teilweise geladene Lagerung). Alle bei 50 °C getesteten Zellen alterten schneller als die bei 35 °C getesteten Zellen, wie die periodische Leistungsdiagnose ergab. Bei gleichen Umgebungstemperaturen erhöhte kontinuierliches Zyklieren den Kapazitätsverlust im Vergleich zur Lagerung mit vollständiger oder teilweiser Ladung.
Die Daten aus den Einzelzellexperimenten wurden mithilfe von Algorithmen zur Analyse der Degradationsmodi analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der Verlust an zyklierbaren Lithium-Ionen (LLI), der auf den irreversiblen Verlust von Lithium aufgrund des kontinuierlichen Wachstums der passiven Grenzschicht (SEI) zurückzuführen ist, in allen Fällen der wichtigste Alterungsmodus ist.

The installed energy capacity of renewable energy generation systems is increasing globally due to the implementation of decarbonization policies. Due to the unpredictable nature of renewable energy sources, there is frequently a mismatch between load demand and energy supply. Stationary energy storage systems act as a buffer that stores excessive energy to balance future energy shortcomings. For residential applications, battery energy storage systems (BESS) are an attractive solution to realize the self-sufficiency of a household equipped with photovoltaics. Despite the decrease in prices, battery costs are still the most significant part of the investment cost of battery energy storage systems. ... mehrTherefore, estimating battery lifetime and developing operation strategies to hinder aging is essential for improving the feasibility of BESS.
Lithium iron phosphate (LFP) lithium-ion batteries are widely used for residential BESS because of their low cost, long life, and safety. Despite extensive research in the laboratory of small-capacity cells, there are few full-scale field investigations on the lifetime and aging characteristics of commercial BESS equipped with LFP cells. This Ph.D. thesis investigates the realistic aging behavior of a residential-scale BESS equipped with large-format (180 Ah) LFP cells. We aim to create and implement a method to investigate the practical aging on cell, stack, and system levels. The experimental data is also processed by degradation modes analysis to identify the underlying mechanisms of capacity loss.
Each cell underwent primarily detailed electrical characterization, which consists of measuring characteristic charge/discharge curves and internal resistances at different current rates and temperatures. After electrical characterization, exemplary cells were opened in an inert atmosphere glove-box for structural investigation, consisting of size and weight measurements of cell components. The morphology and chemical composition of electrode samples from opened cells were investigated with light microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM). The results of the detailed initial characterization of single cells were used to create a complete and self-consistent parameter set for each cell. The initial dataset was also used to compare periodical performance test results with the initial aging state of single cells throughout aging experiments.
The realistic aging experiment was carried out by investigating for 1000 days the changes in aging indicators of two commercial, residential scale BESS integrated into a microgrid. The battery stacks of both systems were built with LFP cells from the same batch of detailed characterization cells but installed with different (serial and parallel) configurations. Thus, we could investigate the effect of stack architecture on aging comparatively. At the end of the measurements, it was observed that no stack architecture is superior to another despite different operating voltages and current levels. In parallel, two LFP cells (identical to the battery stack cells) were tested at constant ambient temperature (20 °C) with continuous complete charge/discharge cycles at a constant current higher than the maximum current exhibited by BESS cells. Regarding capacity retention by equivalent full cycles, both cells outperformed BESS stacks. The comparative cell, stack, and system-level aging investigations indicate that good thermal management can provide a better lifetime even under harsher operating conditions.
The individual effects of temperature and load profile on aging were investigated via single-cell experiments in controlled ambient temperature. For this purpose, six test groups of single cells were tested to represent three realistic aging scenarios (continuous cycling, fully charged storage, and partially charged storage) at two different ambient temperatures (35 °C and 50 °C). All cells tested at 50 °C aged faster than those tested at 35 °C according to periodical performance diagnostics. Continuous cycling increased capacity loss among the cells tested at the same ambient temperature compared to fully or partially charged storage.
Single-cell experiment data was analyzed using degradation mode analysis algorithms. The results demonstrate that the loss of lithium inventory, attributed to the irreversible loss of lithium due to continuous growth of the solid electrolyte interface (SEI) layer, is the primary aging mode in all cases.