Lithium-Ion Battery Life Model with Electrode Cracking and Early-Life Break-in Processes

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作者
Kandler Smith,Paul Gasper,Andrew M. Colclasure,Yuta Shimonishi,Shuhei Yoshida
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:168 (10): 100530-100530 被引量:22
标识
DOI:10.1149/1945-7111/ac2ebd
摘要

This paper develops a physically justified reduced-order capacity fade model from accelerated calendar- and cycle-aging data for 32 lithium-ion (Li-ion) graphite/nickel-manganese-cobalt (NMC) cells. The large data set reveals temperature-, charge C-rate-, depth-of-discharge-, and state of charge (SOC)-dependent degradation patterns that would be unobserved in a smaller test matrix. Model structure is informed by incremental capacity analysis that shows loss of lithium inventory and cathode-material loss as the dominant capacity fade mechanisms. The model includes terms attributable to solid-electrolyte interface (SEI) growth, electrode cracking, cycling-driven acceleration of SEI growth, and "break-in" mechanisms that slightly decrease or increase available Li inventory early in life. The study explores what mathematical couplings of these mechanisms best describe calendar aging, cycle aging, and mixed calendar/cycle aging. Various approaches are discussed for extracting relevant stress factors from complex cycling profiles to predict lifetime during real-world battery loads using models trained on constant-current laboratory test results. The complexity of the present human-driven model identification process motivates future work in machine learning to more widely search and statistically discern the optimal model that correctly extrapolates capacity fade based on physical knowledge.

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