Life and Safety for Li-ion batteries in Maritime conditions (SafeLiLife)

I prosjektet "Life and Safety for Li-ion batteries in Maritime conditions" (SafeLiLife) har vi utviklet ny kunnskap om Li-ion batteriers forventede levetid, aldringsmekanismer og sikkerhetsegenskaper ved forskjellige driftsforhold. Det har vært et spesielt fokus på driftsforhold typisk for bruk i f.eks. skip og plassering på havbunnen. Litium-ion-batterier har gjennomgått en massiv teknologisk utvikling over få år. Dette har åpnet for nye anvendelser, med nye krav. Spesielt i anvendelser med ujevn energibruk, eller der energi kan gjenvinnes i deler av bruksperioden (oppbremsing), kan hybridisering med oppladbare batterier gi store innsparinger i drivstofforbruk, og dermed reduserte utslipp av både CO2 og NOx. DNV har vist at nedbetalingstiden for en ombygging med Li-ion batteripakke kan komme ned mot 5 år for hybridisering av skip, og 2 år i nisjeanvendelser som f. eks. krandrift. I forbrukerelektronikk dominerer kravet til energitetthet per vekt og per volum. I overgangen til elektriske biler, er sikkerhet og levetid viktigere, samtidig som energitetthet er stadig viktig for å oppnå nødvendig rekkevidde. For anvendelser på båt er batteripakkene enda større, og sikkerhetskravene betydelig strengere, i tillegg til at omgivelsene kan være svært krevende. Batteriene må kunne gjøre jobben sin i -20 °C ved havoverflaten i en norsk vinter, og ved +50 °C i et maskinrom. I SafeLiLife-prosjektet har vi målt levetiden for fire forskjellige typer kommersielle Li-ion battericeller som har stor relevans for bruk i maritim sektor. Vi fokuserte spesielt på å måle levetid ved forskjellige temperaturer, forskjellige strømtrekk og ved forskjellige ladetilstander til batteriene. Generelt observerte vi at temperatur var den faktoren som påvirket levetid sterkest. Både høye (45 °C) og lave temperaturer (5 °C) reduserte levetiden til batteriene sammenlignet med 25 °C. Vi observerte også negativ effekt av høyere strøm. Årsakene til den reduserte levetiden er ulike og dette ble studert med ikke-destruktive metoder. En ny ikke-destruktiv metode som ble benyttet var entropispektroskopi. Dette er en metode som både kan benyttes til å skille forskjellige Li-ion batterikjemier fra hverandre, samt gi indikasjoner på aldringsmekanismen til cellen. Resultatene ble sammenlignet med observerte endringer i battericellene etter at batteriene er blitt åpnet ved endt levetid. Batterienes indre temperatur ved strømpådrag vil endre seg i løpet av batteriets levetid, og økt temperatur kan bidra til raskere reduksjon i batterilevetid. Denne økningen skyldes at den indre motstanden i battericellene normalt sett øker ved batterialdring. I tillegg studerte vi hvordan varmeledningsegenskapene til batterimaterialene endret seg ved aldring og om dette påvirket og bidro til en ytterligere økning i den indre temperaturen. Det er vel kjent at Li-ion batterier har utfordrende sikkerhetsegenskaper. Li-ion batterier tåler hverken overlading eller overutlading. Ved temperaturer over 60 °C kan batteriene starte en "egenvarming" som til slutt kan forårsake både utgassing av elektrolytt og brann/eksplosjon. Ved lading ved lave temperaturer kan metallisk litium dannes på en elektrode og til slutt forårsake intern kortslutning av batteriet, med en mulig brann som konsekvens. I SafeLiLife-prosjektet testet vi sikkerhetsegenskapene for alle de forskjellige kommersielle battericellene og sammenlignet egenskapene mellom nye og aldrede celler. For aldrede celler ble det observert at den såkalte "oppstartstemperaturen for egenvarming" kunne bli redusert, noe som kan bidra til mer ustabile sikkerhetsegenskaper. Dette var spesielt tydelig for celler som var testet ved lave temperaturer.

This project is a knowledge building project for life and safety for Li-ion batteries in maritime conditions. The main objective in this project is to build in-depth knowledge on how various Li-ion batteries chemistries decay both by storage and cycling. The decay (ageing) can have severe implications on the safety of the Li-ion battery and hence have large implications of a safe and durable operation of a marine operation as well. By building knowledge on how the Li-ion batteries are ageing, measures can be taken to optimize the batteries operational conditions to optimize life and hence also maximize the economic benefit of the battery system. By developing more sensitive measurements, relevant tests can be performed in much shorter time, speeding up development processes. The following topics will be covered to reach the main objective: -Apply innovative and advanced battery characterisation methods to enable prediction of Li-ion battery life and health for large-scale batteries applied in Nordic c onditions -Validate methods and tools for accelerated cycle life and reliability prediction -Perform accelerated battery cycle life predictions for several Li-ion battery chemistries at various temperatures. Especially with focus on Nordic sea-temperatur e conditions and operation in confined locations with poor ventilation -Validated methods for State of Health (SoH) predication based on the method of Entropy spectroscopy -Perform in-situ and ex-situ thermal characterisation (calorimetry and thermal cond uctivity measurements) on Li-ion batteries and battery materials -Build thermal Li-ion battery models for various load profiles -Monitor battery break-down characteristic -Simulate local short-circuit conditions -Analyse ageing mechanisms and physical pro perties through post-mortem analyses on aged Li-ion battery cells -Develop state of charge algorithms