Lithium-ion cells operating at very low temperatures: development of low-energy internal heating technology

Abstract

Lithium-ion batteries (LiBs) are widely used for a variety of applications, such as electric vehicles (EV), but despite their high energy and power at normal operating conditions, their performance is affected by low temperatures. EV manufacturers use various methods, such as air heating and liquid heating, in order to maintain the batteries in operational temperatures. However, these methods require extended heating durations and high energy consumption, presenting a low uniformity in temperature across the cells in a battery pack. In this thesis, a novel method, called AIM heating, which is based on cell internal heating, is proposed and a proof-of-concept is demonstrated. Heating tests performed on pouch cells showed that the cell temperature can reach an operational value in a matter of seconds, starting from temperatures as low as -40 oC. Moreover, during cycling at such low temperatures, the heated pouch cells are able to deliver stable capacities, with low capacity fade per cycle and high capacity retention, in contrary to standard cells, which suffer from low available capacity, inefficient charging capability, and significant irreversible capacity loss after just a few cycles.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται ευρέως σε μια ποικιλία εφαρμογών, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα, όμως παρά την υψηλή ενέργεια και ισχύ τους σε κανονικές συνθήκες λειτουργίας, η απόδοση τους επηρεάζεται σημαντικά από τις χαμηλές θερμοκρασίες. Οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους, όπως η θέρμανση μέσω αέρα και μέσω υγρού, για να διατηρήσουν τις μπαταρίες σε θερμοκρασίες κανονικής λειτουργίας. Ωστόσο, οι μέθοδοι αυτοί απαιτούν εκτεταμένους χρόνους θέρμανσης και υψηλή ενεργειακή κατανάλωση, παρουσιάζοντας χαμηλή ομοιομορφία θερμοκρασίας κατά μήκος των κελιών μέσα σε ένα πακέτο μπαταριών. Σε αυτήν την διατριβή, προτείνεται μια καινοτόμα μέθοδος, η οποία ονομάζεται θέρμανση ΑΙΜ, και βασίζεται στην εσωτερική θέρμανση κελιού, και παρουσιάζεται ένα λειτουργικό πρωτότυπο (proof-of-concept). Δοκιμές θέρμανσης που πραγματοποιήθηκαν σε κελιά τύπου pouch έδειξαν πως η θερμοκρασία κελιού μπορεί να φτάσει σε θερμοκρασίες κανονικής λειτουγίας μέσα σε δευτερόλεπτα, ξεκινώντας από χαμηλές θερμοκρασίες έως και -40 οC. Επιπλέον, κατά την πραγματοποίηση κύκλων σε τόσο χαμηλές θερμοκρασίες, τα θερμαινόμενα κελιά παρουσιάζουν σταθερές χωρητικότητες, με μικρή εξασθένιση χωρητικότητας και υψηλή διατήρηση της αρχικής χωρητικότητας, σε αντίθεση με τα στάνταρ κελιά, τα οποία υποφέρουν από ιδιαίτερα χαμηλή διαθέσιμη χωρητικότητα, ικανότητα φόρτισης με ανεπαρκή απόδοση, και σημαντική μη αντιστρεπτή απώλεια χωρητικότητας μετά από μόλις μερικούς κύκλους.