On the second life of lithium-ion batteries from electric vehicles: characterisation, ageing and applications

El cambio en nuestro modelo de consumo y producción de energía es cada vez más urgente. Los problemas medioambientales, económicos y sociales relacionados con los combustibles fósiles han motivado la reacción gubernamental y ciudadana en búsqueda de soluciones alternativas. Así, la transición en el sector de la automoción hacia el vehículo eléctrico es ya una realidad. Las baterías de iones de litio son el corazón de los vehículos eléctricos, ya que posibilitan su autonomía y operación de forma similar a sus homólogos de combustión. No obstante, debido al uso, las características internas de estas baterías se degradadas, de tal modo que son retiradas cuando pierden en torno a un 30 % de capacidad energética. En los últimos años, la reutilización de estas baterías ha surgido como alternativa que permite aprovechar la capacidad energética remanente, alargando de este modo su vida útil. Aplicaciones estacionarias, como la integración de energías renovables o servicios de red, son consideradas como escenarios prometedores para estas baterías de segunda vida. Sin embargo, la viabilidad técnica y económica de estos sistemas de almacenamiento es hoy en día incierta. Esta tesis se centra en la viabilidad técnica de baterías de iones de litio de segunda vida provenientes de vehículos eléctricos. El estudio tiene un gran carácter experimental, utilizando para ello baterías reales que ya han finalizado su primera vida. Las principales líneas de trabajo de la tesis son: • Revisión del estado del arte actual de la segunda vida. • Caracterización del estado interno y análisis de la dispersión. • Estudio de la degradación y durabilidad en función del envejecimiento. • Mejora de la evaluación del estado interno, tanto en la etapa de reconfiguración como durante la operación de la segunda vida. • Estudio de la viabilidad técnica de un prototipo reconfigurado con módulosde segunda vida en distintas aplicaciones estacionarias. The transformation of our energy consumption and production model is increasingly urgent. Environmental, economic and social problems associated with fossil fuels have prompted the government and public reaction in the search for alternative solutions. Thus, the transition in the automotive sector towards an electric fleet is already a reality. Lithium-ion batteries are the core of electric vehicles, as they enable autonomy and operation in a similar way to their combustion counterparts. However, the performance features of these batteries degrade due to usage, in such a way that they are retired when their initial energy capacity fades by 30 %. The reuse of electric vehicle batteries has recently emerged as an alternative that allows benefiting from the remaining energy capacity, thus extending their lifetime. Stationary applications, such as the integration of renewable energies or the provision of grid services, are considered promising scenarios for these second-life batteries. Nevertheless, the technical and economic feasibility of these storage systems is currently uncertain. This thesis focuses on the technical feasibility of second-life lithium-ion batteries from electric vehicles. The study has a significant experimental approach, by using real batteries that have already ended their first life. The main work lines of the thesis are: • Revision of the existing state of the art on second-life batteries. • Characterisation of the internal state and analysis of dispersion. • Study of degradation and durability depending on ageing. • Improvement of the internal state assessment, both in the repurposing stage and during the second-life operation. • Study of the technical feasibility of a repurposed prototype with secondlife modules in different stationary applications. This thesis was awarded with public funding from a predoctoral scholarship of the Government of Navarre.; R&D national project, 'Design of optimal energy storage systems based on first and second-life lithium-ion batteries for the integration of renewable energies', DA2VIDA PID2019-111262RB-I00, Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness, 2020-2022; R&D national project, 'Hybridisation of advanced electricity storage systems in renewable-sources microgrids', HIBRITAER DPI2016-80642-R, Spanish Ministry of Economy, Industry and Competitiveness, 2016-2020; R&D Navarre Plan, 'Design and experimental validation of BMS for second-life lithium-ion batteries (ReBMS)', PJUPNA1904, Public University of Navarre (UPNA), 2020-2021. R&D Navarre Plan, 'Integration of renewable energy in the electric grid by means of advanced energy storage systems', GERA PI020 0011-1411-2018-000029, Government of Navarre, 2018-2020. Programa de Doctorado en Tecnologías de las Comunicaciones, Bioingeniería y de las Energías Renovables (RD 99/2011) Bioingeniaritzako eta Komunikazioen eta Energia Berriztagarrien Teknologietako Doktoretza Programa (ED 99/2011)