Electro-thermal optimization of an energy storage sytem based on Li-Ion batteries

Abstract

Advances in the field of energy have contributed significantly to the development of our society. The increase of the energy consumption joined to the possible extinction of fossil fuels requires finding the maximum efficiency possible in all the applications, and demands alternative energy sources, for instance renewable ones, to support this consumption. Besides, energy storage systems are considered another solution, due to the possibility of storing energy during low consumption periods and release it during maximum demand ones. This work will focus on energy storage systems based on electrochemical devices, particularly in lithium-ion batteries, which are presented as a suitable alternative for power applications due to their high energy density and large cycle life. However, these batteries are very sensitive to their working temperature because it affects their performance and reduces their cycle life. With this scenario, this thesis is oriented to the electro-thermal optimization of lithium ion battery based energy storage systems with the target of maximizing their cycle life taking advantage of their optimum performance.

Energiaren arloan izandako aurrerapenek gure gizartearen garapenean izugarri lagundu dute. Energi kontsumoaren igoera eta erregai fosilen desagerpena direla eta gaur egungo erronka nagusia sistemen efizientzia energetikoan eta ordezko energia iturrien bilaketan datza. Bestalde, energia metatzeko sistemak agertzen dira kontsumo hauei aurre egiteko aukera modura, eguneko kontsumoak bajuak direnean energia metatu ahal dutelako, eta kontsumoak maximoak direnean entregatzeko. Lan hau energia metatzeko sistema elektrokimikoetan oinarritzen da, konkretuki litio-ioiez osatutako baterietan, beraien energia dentsitate altua eta bizitza luzea egokiak baitira potentzia aplikazioetan erabiltzeko. Hala ere, tenperaturak influentzia inportantea dauka bateria hauen errendimenduan eta bizitzan. Beraz, tesi hau litio-ioiez osatutako energia metatze sistemetan eta hauen optimizazio elektro-termikoan oinarritzen da, beraien bizitza ahalik eta gehien luzatzeko helburuarekin.

Los avances en el ámbito de la energía han contribuido notablemente al desarrollo de nuestra sociedad. El incremento del consumo energético unido a la posible extinción de los combustibles fósiles obliga a buscar la máxima eficiencia energética en todas las aplicaciones además de exigir fuentes de energía alternativas, como pueden ser las renovables, para abastecer estos consumos. Además, existen otras soluciones como los sistemas de almacenamiento de energía que permitirían almacenar energía durante momentos de bajo consumo energético, y entregarla durante los momentos de máximo consumo. Este trabajo se centra en los sistemas de almacenamiento basados en células electroquímicas, concretamente en las baterías de litio, ya que su alta densidad de energía y su vida útil las hace adecuadas para aplicaciones de potencia. Sin embargo, la temperatura de trabajo es un factor clave ya que influye en las prestaciones de este tipo de batería y además afecta a su envejecimiento. Por tanto, esta tesis se centra en la optimización electro-térmica de sistemas de almacenamiento basados en baterías de litio con el fin de alargar la vida útil de los mismos aprovechando al máximo sus prestaciones.