Skrivnost dolge življenjske dobe polnilnih baterij morda leži v objemu drugačnosti.Novo modeliranje razgradnje litij-ionskih celic v paketu kaže način za prilagajanje polnjenja zmogljivosti vsake celice, tako da lahko baterije EV prenesejo več ciklov polnjenja in preprečijo okvare.

Raziskava, objavljena 5. novembra vIEEE Transactions on Control Systems Technology, prikazuje, kako lahko aktivno upravljanje količine električnega toka, ki teče do vsake celice v paketu, namesto enakomernega dovajanja naboja zmanjša obrabo.Pristop učinkovito omogoča vsaki celici, da živi najboljše – in najdaljše – življenje.

Po mnenju profesorice na Stanfordu in višje avtorice študije Simone Onori začetne simulacije kažejo, da bi baterije, upravljane z novo tehnologijo, lahko prenesle vsaj 20 % več ciklov polnjenja in praznjenja, tudi s pogostim hitrim polnjenjem, ki dodatno obremenjuje baterijo.

Večina dosedanjih prizadevanj za podaljšanje življenjske dobe baterije električnih avtomobilov je bila osredotočena na izboljšanje zasnove, materialov in proizvodnje posameznih celic, ki temeljijo na predpostavki, da je tako kot člen v verigi baterijski sklop tako dober, kot je dobra njegova najšibkejša celica.Nova študija se začne z razumevanjem, da čeprav so šibke povezave neizogibne – zaradi proizvodnih nepopolnosti in ker se nekatere celice razgradijo hitreje kot druge, ko so izpostavljene obremenitvam, kot je vročina –, jim ni treba uničiti celotnega paketa.Ključno je, da stopnje polnjenja prilagodite edinstveni zmogljivosti vsake celice, da preprečite okvaro.

"Če se heterogenosti med celicami ne lotimo pravilno, lahko ogrozijo dolgo življenjsko dobo, zdravje in varnost baterijskega paketa ter povzročijo zgodnjo okvaro akumulatorskega paketa," je dejal Onori, ki je docent za inženiring znanosti o energiji na Stanford Doerr. Šola trajnosti."Naš pristop izenači energijo v vsaki celici v paketu, s čimer se vse celice na uravnotežen način dosežejo končno ciljno stanje napolnjenosti in izboljša dolgoživost paketa."

Navdih za izdelavo baterije za milijon milj

Del zagona za nove raziskave izvira iz napovedi podjetja Tesla, proizvajalca električnih avtomobilov, leta 2020 o delu na "bateriji za milijon milj".To bi bila baterija, ki bi lahko napajala avtomobil 1 milijon milj ali več (z rednim polnjenjem), preden bi dosegla točko, ko baterija EV, tako kot litij-ionska baterija v starem telefonu ali prenosnem računalniku, zadrži premalo napolnjenosti, da bi lahko delovala .

Takšna baterija bi presegla običajno garancijo proizvajalcev avtomobilov za baterije električnih vozil, ki znaša osem let ali 100.000 milj.Čeprav baterijski sklopi rutinsko trajajo dlje od svoje garancije, bi se lahko zaupanje potrošnikov v električna vozila okrepilo, če bi drage zamenjave akumulatorskih paketov postale še redkejše.Baterija, ki lahko še vedno drži napolnjenost po tisočih polnjenjih, bi lahko tudi olajšala pot elektrifikacije tovornjakov za dolge razdalje in za sprejetje tako imenovanih sistemov od vozila do omrežja, v katerih bi baterije EV shranjevale in pošiljale obnovljivo energijo za električno omrežje.

"Pozneje je bilo pojasnjeno, da koncept baterije z milijoni milj v resnici ni nova kemija, ampak le način za delovanje baterije, tako da ne uporablja celotnega obsega polnjenja," je dejal Onori.S tem povezane raziskave so bile osredotočene na posamezne litij-ionske celice, ki na splošno ne izgubijo zmogljivosti polnjenja tako hitro kot polne baterije.

Zaintrigirana Onori in dva raziskovalca v njenem laboratoriju – podoktorski učenjak Vahid Azimi in doktorski študent Anirudh Allam – so se odločili raziskati, kako bi lahko inventivno upravljanje obstoječih vrst baterij izboljšalo delovanje in življenjsko dobo polnega paketa baterij, ki lahko vsebuje na stotine ali tisoče celic. .

Model baterije visoke ločljivosti

Kot prvi korak so raziskovalci izdelali visokozvesten računalniški model obnašanja baterije, ki je natančno predstavljal fizikalne in kemične spremembe, ki se zgodijo v bateriji med njeno življenjsko dobo.Nekatere od teh sprememb se odvijejo v nekaj sekundah ali minutah – druge v mesecih ali celo letih.

"Kolikor nam je znano, nobena predhodna študija ni uporabila takšnega modela baterije z več časovnimi razdaljami, kot smo ga ustvarili," je dejal Onori, ki je direktor laboratorija Stanford Energy Control Lab.

Simulacije, ki so potekale z modelom, so pokazale, da je mogoče sodobno baterijo optimizirati in nadzorovati z upoštevanjem razlik med njenimi sestavnimi celicami.Onori in njegovi sodelavci predvidevajo, da se bo njihov model v prihodnjih letih uporabljal za usmerjanje razvoja sistemov za upravljanje baterij, ki jih je mogoče preprosto namestiti v obstoječe modele vozil.

Ne koristijo le električna vozila.Skoraj vsaka aplikacija, ki "veliko obremenjuje baterijo", bi lahko bila dober kandidat za boljše upravljanje, obveščena z novimi rezultati, je dejal Onori.En primer?Dronom podobna letala z električnim navpičnim vzletanjem in pristajanjem, včasih imenovana eVTOL, za katera nekateri podjetniki pričakujejo, da bodo v naslednjem desetletju delovala kot zračni taksiji in zagotavljala druge storitve mestne zračne mobilnosti.Kljub temu vabijo druge aplikacije za polnilne litij-ionske baterije, vključno s splošnim letalstvom in obsežnim shranjevanjem obnovljive energije.

"Litij-ionske baterije so že spremenile svet na toliko načinov," je dejal Onori."Pomembno je, da iz te transformativne tehnologije in njenih naslednikov izkoristimo čim več."