Modelización de baterías de litio per simular el efecto del su envejecimiento
Tutor/a - Director/a
Estudiant
Díaz Granero, Rubén
Tipus de document
Treball Final de Grau
Data
2021
rights
Accés obert
Editorial
Universitat Politècnica de Catalunya
Titulacions
UPCommons
Resum
En 1990 se comercializo el primer acumulador que empleaba la tecnología Li-ion, 30 años después su
uso se ha extendido y popularizado en herramientas como smartphones, ordenadores portátiles,
vehículos, etc. El avance en los sistemas informáticos, su complejidad y las mejoras en los tiempos de
procesos, conjuntamente con el uso de modelos matemáticos centrados en los mecanismos de
degradación de baterías. Nos ha permitido crear simulaciones con el objetivo de mejora en la eficiencia
de las baterías.
El presente proyecto proporciona una descripción al detalle del mecanismo de funcionamiento
electroquímico de las baterías de litio y expone una tipología de modelo termoeléctrico de degradación
basado en las diferentes reacciones que se dan en el sistema. En concreto, en el desarrollo de la película
SEI y pasiva en los electrodos negativo y positivo correspondientes. Este efecto genera pérdidas en el
inventario de litio de nuestra batería, así como la perdida de material activo. Partiendo de un código
preexistente desarrollado en Matlab® que simula funcionamiento del modelo electroquímico y
termoeléctrico de una celda de ion litio. Se ha desarrollado un software que permite aplicar la técnica
de espectroscopía de impedancia electroquímica o EIS. Simulando el comportamiento de la EIS que
tiene una celda de ion litio en función de diferentes variables como: el estado de carga o SOC, la
temperatura, la degradación de la batería y el envejecimiento o SOH. Este último se ha podido llevar a
cabo gracias al proyecto anterior, que nos ha dado la posibilidad de generar un ciclado en nuestra
batería de 325 ciclos.
Hemos encontrado que el descenso del estado de carga aumenta la impedancia de nuestra batería
sobre todo en los porcentajes más bajos. Además, el aumento de la impedancia también tiene relación
con la degradación de la batería y su envejecimiento, al igual que al reducir la temperatura de dicha
batería.
En conclusión, se ha demostrado que el modelo es capaz de ayudar a entender mejor el
comportamiento de la impedancia en el funcionamiento de las baterías de lito en algunos de sus
diferentes estados durante su vida útil.
El 1990 es va comercialitzar el primer acumulador que emprava la tecnologia Li-ion, 30 anys després el
seu ús s'ha estès i popularitzat en eines com smartphones, ordinadors portàtils, vehicles, etc. L'avanç
en els sistemes informàtics, la seva complexitat i les millores en els temps de processos, conjuntament
amb l'ús de models matemàtics centrats en els mecanismes de degradació de bateries. Ens ha permès
crear simulacions amb l'objectiu de millora en l'eficiència de les bateries.
El present projecte proporciona una descripció al detall del mecanisme de funcionament electroquímic
de les bateries de liti i exposa una tipologia de model termoelèctric de degradació basat en les diferents
reaccions que es donen en el sistema. En concret, en el desenvolupament de la pel·lícula SEI i passiva
en els elèctrodes negatiu i positiu corresponents. Aquest efecte genera pèrdues en l'inventari de liti de
la nostra bateria, així com la pèrdua de material actiu. Partint d'un codi preexistent desenvolupat en
Matlab® que simula funcionament del model electroquímic i termoelèctric d'una cel·la d'ió liti. S'ha
desenvolupat un programari que permet aplicar la tècnica d'espectroscòpia d'impedància
electroquímica o EIS. Simulant el comportament de l'EIS que té una cel·la d'ió liti en funció de diferents
variables com: l'estat de càrrega o SOC, la temperatura, la degradació de la bateria i l'envelliment o
SOH. Aquest últim s'ha pogut dur a terme gràcies a el projecte anterior, que ens ha donat la possibilitat
de generar un ciclat en la nostra bateria de 325 cicles.
Hem trobat que el descens de l'estat de càrrega augmenta la impedància de la nostra bateria sobretot
en els percentatges més baixos. A més, l'augment de la impedància també té relació amb la degradació
de la bateria i el seu envelliment, a l'igual que al reduir la temperatura de la bateria.
En conclusió, s'ha demostrat que el model és capaç d'ajudar a entendre millor el comportament de la
impedància en el funcionament de les bateries de liti en alguns dels seus diferents estats durant la seva
vida útil.
In 1990 the first accumulator that used Li-ion technology was marketed. 30 years later its use has
spread and popularized in tools such as smartphones, laptops, vehicles, etc. Advances in computer
systems, their complexity and improvements in process times. In addition to the use of mathematical
models focused on battery degradation mechanisms. It has allowed us to create simulations with the
aim of improving battery efficiency.
This project provides a detailed description of the electrochemical operating mechanism of lithium
batteries and exposes a typology of a thermoelectric degradation model based on the different
reactions that occur in the system. Specifically, in the development of the SEI and passive film on the
corresponding negative and positive electrodes. This effect generates losses in the lithium inventory of
our battery, as well as the loss of active material. Starting from a pre-existing code developed in
Matlab® that simulates the operation of the electrochemical and thermoelectric model of a lithiumion cell. A new software has been developed that allows the application of the electrochemical
impedance spectroscopy or EIS technique. Simulating the behaviour of the EIS that a lithium-ion cell
has based on different variables such as: state of charge or SOC, temperature, battery degradation and
aging or SOH. The latter has been carried out thanks to the previous project, which has given us the
possibility of generating a battery cycle of 325 cycles.
We have found that the decrease in the state of charge increases the impedance of our battery,
especially in the lowest percentages. In addition, the increase in impedance is also related to the
degradation of the battery and its aging, as well as reducing the temperature of the battery.
In conclusion, it has been shown that the model is capable to help to understand better the behaviour
of impedance in the operation of lithium batteries in some of their different states during their useful
life.
