Skrivnost dolge življenjske dobe polnilnih baterij se morda skriva v sprejemanju drugačnosti. Novo modeliranje razgradnje litij-ionskih celic v paketu kaže na način, kako prilagoditi polnjenje zmogljivosti vsake celice, tako da lahko baterije električnih vozil prenesejo več ciklov polnjenja in preprečijo okvare.

Raziskava, objavljena 5. novembra vIEEE Transakcije o tehnologiji krmilnih sistemov, prikazuje, kako lahko aktivno upravljanje količine električnega toka, ki teče v vsako celico v baterijskem paketu, namesto enakomernega dovajanja polnjenja, zmanjša obrabo. Ta pristop učinkovito omogoča, da vsaka celica živi svojo najboljšo – in najdaljšo – življenjsko dobo.

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

Večina prejšnjih prizadevanj za podaljšanje življenjske dobe baterij električnih avtomobilov se je osredotočala na izboljšanje zasnove, materialov in izdelave posameznih celic, pri čemer je izhajala iz predpostavke, da je baterijski sklop, tako kot členi v verigi, dober le toliko, kolikor je dober njegov najšibkejši člen. Nova študija se začne z razumevanjem, da čeprav so šibki členi neizogibni – zaradi proizvodnih nepopolnosti in ker se nekatere celice hitreje obrabijo kot druge, ker so izpostavljene obremenitvam, kot je vročina –, ni nujno, da izpraznijo celoten sklop. Ključno je prilagoditi hitrost polnjenja edinstveni zmogljivosti vsake celice, da se prepreči okvara.

»Če se s tem ne spopademo pravilno, lahko heterogenosti med celicami ogrozijo dolgo življenjsko dobo, zdravje in varnost baterijskega sklopa ter povzročijo prezgodnjo okvaro baterijskega sklopa,« je dejal Onori, ki je docent za energetsko inženirstvo na Stanford Doerr School of Sustainability. »Naš pristop izenači energijo v vsaki celici v sklopu, s čimer vse celice uravnoteženo dosežejo končno ciljno stanje napolnjenosti in izboljšajo dolgo življenjsko dobo sklopa.«

Navdih za izdelavo baterije z zmogljivostjo milijon milj

Del spodbude za novo raziskavo sega v napoved podjetja Tesla, proizvajalca električnih avtomobilov, iz leta 2020 o delu na »bateriji z zmogljivostjo milijona milj«. To bi bila baterija, ki bi lahko napajala avtomobil 1 milijon milj ali več (z rednim polnjenjem), preden bi dosegla točko, ko bi baterija električnega vozila, tako kot litij-ionska baterija v starem telefonu ali prenosniku, imela premalo napolnjenosti, da bi bila funkcionalna.

Takšna baterija bi presegla tipično garancijo proizvajalcev avtomobilov za akumulatorje električnih vozil, ki znaša osem let ali 160.000 kilometrov. Čeprav akumulatorji običajno preživijo dlje od garancije, bi se zaupanje potrošnikov v električna vozila lahko okrepilo, če bi drage zamenjave akumulatorjev postale še redkejše. Baterija, ki lahko po tisočih polnjenjih še vedno zadrži napolnjenost, bi lahko olajšala tudi elektrifikacijo tovornjakov za dolge prevoze in sprejetje tako imenovanih sistemov »vozilo-omrežje«, v katerih bi akumulatorji električnih vozil shranjevali in pošiljali obnovljivo energijo v električno omrežje.

»Kasneje je bilo pojasnjeno, da koncept baterije z zmogljivostjo milijon milj v resnici ni bil nova kemija, temveč le način delovanja baterije, ki ne omogoča uporabe polnega območja polnjenja,« je dejal Onori. Sorodne raziskave so se osredotočile na posamezne litij-ionske celice, ki običajno ne izgubijo kapacitete polnjenja tako hitro kot polni baterijski sklopi.

Zaintrigirana, se je Onori in dva raziskovalca v njenem laboratoriju – podoktorski sodelavec Vahid Azimi in doktorski študent Anirudh Allam – odločila raziskati, kako bi lahko iznajdljivo upravljanje obstoječih tipov baterij izboljšalo zmogljivost in življenjsko dobo polnega baterijskega sklopa, ki lahko vsebuje na stotine ali tisoče celic.

Visokozmogljiv model baterije

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

»Kolikor nam je znano, nobena prejšnja študija ni uporabila takšnega visokozmogljivega, veččasovnega modela baterije, kot smo ga ustvarili,« je dejal Onori, ki je direktor laboratorija za nadzor energije Stanford.

Izvajanje simulacij z modelom je pokazalo, da je mogoče sodoben baterijski sklop optimizirati in nadzorovati z upoštevanjem razlik med njegovimi sestavnimi celicami. Onori in sodelavci predvidevajo, da bo njihov model v prihodnjih letih uporabljen za vodenje razvoja sistemov za upravljanje baterij, ki jih je mogoče enostavno uporabiti v obstoječih zasnovah vozil.

Ne bodo imela koristi le električna vozila. Praktično vsaka aplikacija, ki »zelo obremenjuje baterijski sklop«, bi lahko bila dober kandidat za boljše upravljanje na podlagi novih rezultatov, je dejal Onori. En primer? Letala, podobna dronom, z električnim navpičnim vzletom in pristankom, 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 tudi druge aplikacije za polnilne litij-ionske baterije, vključno s splošnim letalstvom in obsežnim shranjevanjem obnovljive energije.

»Litij-ionske baterije so že na toliko načinov spremenile svet,« je dejal Onori. »Pomembno je, da iz te preobrazbene tehnologije in njenih naslednikov iztržimo čim več.«