Using Open Circuit Voltage Relaxation for Analyzing Material Behaviors in a Half-Cell

Abstract

The possibility of using the open circuit voltage relaxation to understand material behaviors in a battery cell was examined in this thesis. The aim was to develop a method to interpret the activities occurring in a battery, without the use of other experimental methods. The impact could be less work with expensive and time-consuming experiments. Seven lithium-ion cells with silicon as active material on the negative electrode and lithium metal as the counter electrode, were made. Three cells contained electrolyte additives, and five without. An EIS study was carried out on one of the cells with additives. The rest of the cells were used for open circuit analysis. An equivalent circuit with two resistance-capacitance (RC) parallels connected in series was used as a cell model. The RC-circuits represented the charge transfer and diffusion polarization in a cell. Apparent RC-parameters for the cells were found by using the cell model and Levenberg-Marquardt least square minimization. Python was used as programming tool to develop a subprogram for the Python package, cellpy. The program fitted the cell model’s voltage to the measured open circuit voltage by iterating the model’s RC-parameters. The best parameters obtained from the fit were compared with the impedance found in the EIS study. The method developed in this thesis was concluded to be useful in analyzing the cell’s material behaviors regarding the charge transfer process.

Hensikten med oppgaven var å undersøke muligheten for å bruke åpen krets relaksasjonsspenningsdata til å forstå oppførselen til materialene i en battericelle. Målet var å utvikle en metode for å analysere aktivitetene i et batteri, uten bruk av dyre og tidskrevende eksperimenter. Det ble lagd syv litium-ion battericeller med silisium som litium vert på den negative elektroden og rent litium metall som positive elektrodemateriale. Tre av cellene hadde additiver i elektrolytten, og resten var foruten. En av de tre cellene med additiver ble brukt i en elektrokjemisk impedans spektroskopi (EIS) studie. Analyse og parameter tilpassing av åpen krets relaksasjonsspenning ble utført på de resterende cellene. En ekvivalent krets med to motstand-kondensator paralleller koblet i serie ble brukt som en cellemodell for tilpasningsprosessen. En av parallellene representerte aktiveringsoverspenningen, mens konsentrasjonsoverspenningen var representert av den andre parallellkretsen. Tilpassingen av de tilsynelatende parameterne ble gjennomført med Levenberg-Marquardt minste kvadraters metode. Programmeringsspråket Python ble brukt som et digitalt verktøy for å utvikle en ny funksjon til Python pakken, cellpy. Brukeren av programmet kan definere en cellemodell og tilpasse modellens åpen krets spenning til målte verdier. To av cellenes kapasiteter som funksjon av sykling, ble sammenlignet med tilpassede motstander og EIS resultatet. Aktiveringsoverspenningen tilpasset i denne oppgaven var nyttig i vurderingen av cellematerialenes oppførsel.