Lithium-ion batteries for off-grid PV-systems
Tid: Må 2021-06-14 kl 15.00
Plats: https://kth-se.zoom.us/meeting/register/u5Iuc-utrzojHd1XkYyhqRKmF999ZWgqVqwy, Stockholm (English)
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Fabian Benavente , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Dr. Daniel Abraham, Argonne National Laboratory
Handledare: Professor Göran Lindbergh, Kemiteknik, Tillämpad elektrokemi; Anders Olof Lundblad, ; Dr. Saul Cabrera, Universidad Mayor de San Andres
Abstract
Denna avhandling ger en omfattande och detaljerad analys gällande hurupp och urladdningsstrategin påverkar livslängden för kommersiellalitium-jonbatterier och ekonomin för solcellssystem som är frikoppladefrån elnätet. Litiumjon-batterier spelar en nyckelroll i övergången till ett fossilfritt samhälle. Jämför man med elfordon, så ställer stationära energilagringssystem andra krav på prestanda och livslängd för dess batterier. Även om optimal batteridesign är kritisk för att uppnå hög energidensitet och lång livslängd så spelar användningen (driften) av batteriet en viktig roll för att förhindra för tidig prestanda försämring. Genom att förstå effekterna av undertryckt efterfrågan, geografisk placering och applikation på systemets livscykelkostnad möjliggörs optimal systemdesign. Elkonsumtion profiler för tre applikationer beräknades och infogades i en simuleringsmodell tillsammans med meteorologiska data för tre geografiska placeringar, samt effekten av undertryckt efterfrågan (SD). Med hjälp av erhållna timprofiler för laddningsnivå, designades fyrabatteridrifts-strategier som använder partiella cykler vid tre olika spänningsnivåer och två laddningstillståndsintervall (ΔSOC). Kommersiella celler användes för de experimentella testerna. Efter mer än 1000 cykler och kontinuerliga mätningar under åldringsprocessen, utfördes en post-mortem karakterisering. Experimenten visade att orsaken till för tidig prestandaförsämring vid drift vid höga laddningstillstånd (SOC) är en kombination av impedansökning hos den positiva elektroden och inlagring av litium i den negativa elektroden vilket leder till kapacitetsförlust. Studier av impedansspektra för cellerna där fysikaliska modeller använts avslöjade en minskning avledningsförmåga mellan partiklarna i den positiva elektroden. När man på systemnivå analyserade inverkan av undertryckt efterfrågan så observerades att laddningstillståndsfönstret ökade och en försämrad systempålitlighet. Den avslutande optimeringen av kostnad och pålitlighet visade att en optimal systemdesign bör använda en driftstrategi för batteriet med ett bredare laddningstillståndsintervall.