Aging diagnostics for a commercial sodium-ion cell: experimental and simulation-based transfer from lithium-ion systems

Quade, Katharina Lilith; Sauer, Dirk Uwe; Moura, Scott

doi:HT031400003

Aging diagnostics for a commercial sodium-ion cell: experimental and simulation-based transfer from lithium-ion systems

Quade, Katharina Lilith^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Katharina Lilith Quade, M. Sc.

ImpressumAachen : Institute for Power Electronics and Electrical Drives (ISEA), RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge des ISEA ; 202

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Sauer, Dirk Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Moura, Scott (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-01265
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1027181/files/1027181.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
battery management system (frei) ; degradation (frei) ; field data (frei) ; sodium-ion batteries (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Natrium-Ionen-Batterien gewinnen zunehmend an Aufmerksamkeit als kostengünstige und nachhaltige komplementäre Technologie zu Lithium-Ionen-Batterien. Um ihr Drop-in-Potenzial jedoch vollständig auszuschöpfen und sie in Anwendungen zu integrieren, ist ein tiefergehendes Verständnis ihres Alterungsverhaltens sowie der daraus resultierenden Auswirkungen auf das Gesamtsystem erforderlich. In dieser Arbeit wird eine Hochleistungsanwendung betrachtet, in der die verwendeten, teuren Lithium-Ionen-Zellen potenziell durch eine günstigere komplementäre Technologie mit vergleichbaren Leistungsmerkmalen und Energiedichten ersetzt werden könnten. Ein umfangreicher Felddatensatz aus dieser Anwendung wird analysiert, um die betrieblichen Anforderungen zu bestimmen, die eine solche Technologie hinsichtlich Lebensdauer und Management erfüllen muss. Aufbauend auf dieser Analyse wird eine einzigartige Alterungsstudie an Natrium-Ionen-Zellen mit Schichtoxid-Kathode und Hartkohlenstoff-Anode durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass trotz ausgeprägter und charakteristischer Alterungsmuster in den Natrium-Ionen-Zellen eine hohe Lebensdauer erreicht wird, mit einem durchschnittlichen Kapazitätsverlust von 2,8 % nach etwa 4000 äquivalenten Vollzyklen über verschiedene Betriebsbedingungen hinweg. Die aus den experimentellen Daten abgeleiteten parametrisierten Modelle sowie die anwendungsspezifischen Anforderungen werden in ein Simulationsframework integriert, um Echtzeitalgorithmen zu evaluieren, die üblicherweise bei Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Die Analyse zeigt, dass der große Spannungsbereich und die steile Leerlaufspannungskennlinie der untersuchten Natrium-Ionen-Zellen den Einsatz einfacherer Modelle und kostengünstigerer Sensorik erlauben, ohne die Leistungsfähigkeit der Algorithmen zu beeinträchtigen. Durch die Quantifizierung von Alterung und Algorithmenperformanz liefert diese Arbeit eine fundierte Grundlage für die Integration von Natrium-Ionen-Batterien in Anwendungen und verkürzt die Markteinführungszeit dieser Technologien als praktikable Alternativen zu Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere dann, wenn wirtschaftliche oder politische Faktoren einen Technologiewechsel erforderlich machen.

Sodium-ion batteries are gaining attention as a cost-effective and sustainable complementary technology to their lithium counterpart. However, fully realizing their drop-in potential and integrating them into applications requires a deeper understanding of their aging behavior, as well as the implications for the overall system. A high-power, cost-sensitive application is selected, where lithium-ion cells could potentially be replaced by a cheaper complementary technology with similar power characteristics and energy density. An extensive field dataset from this application is then analyzed to determine the operational requirements that such a technology must meet in terms of lifetime and management. Following this analysis, a unique aging study on sodium-ion cells with layered-oxide cathode and hard-carbon anode is conducted. The results show that while there are distinct aging patterns in the sodium-ion cells, the lifetime is high with an average capacity loss of 2.8% after approximately 4000 equivalent full cycles across different operating conditions. The parameterized models, derived from the experimental data, and application-specific requirements are implemented in a simulation framework to evaluate real-time algorithms commonly used for lithium-ion batteries. We analyze that the favorable voltage range and steep open-circuit voltage curve of the investigated sodium-ion cells allow the use of simpler models and lower-cost sensors without affecting algorithm performance. By quantifying degradation and algorithm performance, this work guides the integration of sodium-ion batteries into applications, shortening the time to market for these technologies as viable alternatives to lithium-ion batteries when economic or political factors make it necessary.

OpenAccess:
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