Tajna dugog vijeka punjivih baterija možda leži u prihvaćanju različitosti.Novo modeliranje razgradnje litij-ionskih ćelija u paketu pokazuje način za prilagođavanje punjenja kapacitetu svake ćelije tako da EV baterije mogu podnijeti više ciklusa punjenja i spriječiti kvarove.

Istraživanje, objavljeno 5. studenog uIEEE Transactions on Control Systems Technology, pokazuje kako aktivno upravljanje količinom električne struje koja teče u svaku ćeliju u paketu, umjesto ravnomjerne isporuke naboja, može smanjiti trošenje i habanje.Pristup učinkovito omogućuje svakoj stanici da živi svoj najbolji – i najdulji – život.

Prema profesorici sa Stanforda i višoj autorici studije Simoni Onori, početne simulacije sugeriraju da bi baterije kojima upravlja nova tehnologija mogle podnijeti najmanje 20% više ciklusa punjenja i pražnjenja, čak i uz često brzo punjenje, što dodatno opterećuje bateriju.

Većina prijašnjih nastojanja da se produži životni vijek baterije električnih automobila bila je usmjerena na poboljšanje dizajna, materijala i proizvodnje pojedinačnih ćelija, na temelju premise da je, poput karika u lancu, baterija dobra onoliko koliko je dobra njena najslabija ćelija.Nova studija počinje razumijevanjem da iako su slabe karike neizbježne – zbog proizvodnih nesavršenosti i zato što se neke stanice razgrađuju brže od drugih jer su izložene naprezanjima poput topline – one ne moraju srušiti cijeli paket.Ključ je prilagoditi stope punjenja jedinstvenom kapacitetu svake ćelije kako bi se spriječio kvar.

"Ako se ne riješi ispravno, heterogenost između stanica može ugroziti dugovječnost, zdravlje i sigurnost baterije i potaknuti ranu neispravnost baterije", rekao je Onori, docent inženjerstva energetskih znanosti na Stanford Doerr. Škola održivosti."Naš pristup izjednačava energiju u svakoj ćeliji u paketu, dovodeći sve ćelije u konačno ciljano stanje napunjenosti na uravnotežen način i poboljšavajući dugovječnost paketa."

Nadahnut za izradu baterije od milijun milja

Dio poticaja za novo istraživanje potječe iz objave Tesle, tvrtke za proizvodnju električnih automobila, 2020. godine o radu na "bateriji od milijun milja".To bi bila baterija sposobna napajati automobil 1 milijun milja ili više (s redovitim punjenjem) prije nego što dođe do točke u kojoj, poput litij-ionske baterije u starom telefonu ili prijenosnom računalu, baterija EV-a drži premalo napunjenosti da bi bila funkcionalna .

Takva baterija premašila bi uobičajeno jamstvo proizvođača automobila za baterije električnih vozila od osam godina ili 100.000 milja.Iako baterije rutinski traju dulje od jamstva, povjerenje potrošača u električna vozila moglo bi se povećati ako skupe zamjene baterija postanu još rjeđe.Baterija koja još uvijek može držati napunjenost nakon tisuća punjenja također bi mogla olakšati put za elektrifikaciju kamiona za duge relacije i za usvajanje takozvanih sustava od vozila do mreže, u kojima bi EV baterije pohranjivale i slale obnovljivu energiju za električna mreža.

"Kasnije je objašnjeno da koncept baterije od milijun milja zapravo nije nova kemija, već samo način rada baterije tako da se ne koristi puni raspon punjenja", rekao je Onori.Povezana istraživanja usredotočena su na pojedinačne litij-ionske ćelije, koje općenito ne gube kapacitet punjenja tako brzo kao pune baterije.

Zaintrigirana, Onori i dva istraživača u njezinu laboratoriju – postdoktorand Vahid Azimi i doktorant Anirudh Allam – odlučili su istražiti kako inventivno upravljanje postojećim tipovima baterija može poboljšati performanse i radni vijek pune baterije, koja može sadržavati stotine ili tisuće ćelija .

Model baterije visoke vjernosti

Kao prvi korak, istraživači su izradili računalni model visoke vjernosti ponašanja baterije koji točno predstavlja fizičke i kemijske promjene koje se događaju unutar baterije tijekom njenog radnog vijeka.Neke od tih promjena odvijaju se u roku od nekoliko sekundi ili minuta - druge tijekom mjeseci ili čak godina.

"Koliko znamo, nijedna prethodna studija nije koristila model baterije visoke vjernosti s više vremenskih skala koji smo mi stvorili", rekao je Onori, direktor Stanford Energy Control Laba.

Pokretanje simulacija s modelom sugeriralo je da se moderna baterija može optimizirati i kontrolirati prihvaćanjem razlika među sastavnim ćelijama.Onori i kolege predviđaju da će se njihov model koristiti za usmjeravanje razvoja sustava za upravljanje baterijama u nadolazećim godinama koji se mogu lako primijeniti u postojeće dizajne vozila.

Nisu samo električna vozila ta koja mogu imati koristi.Praktično svaka aplikacija koja "jako opterećuje bateriju" mogla bi biti dobar kandidat za bolje upravljanje na temelju novih rezultata, rekao je Onori.Jedan primjer?Zrakoplov nalik dronu s električnim okomitim uzlijetanjem i slijetanjem, ponekad zvan eVTOL, za koji neki poduzetnici očekuju da će funkcionirati kao zračni taksi i pružati druge usluge urbane zračne mobilnosti tijekom sljedećeg desetljeća.Ipak, druge primjene za punjive litij-ionske baterije mame, uključujući opće zrakoplovstvo i skladištenje obnovljive energije velikih razmjera.

"Litij-ionske baterije već su promijenile svijet na mnogo načina", rekao je Onori."Važno je da iz ove transformativne tehnologije i njezinih nasljednika izvučemo što je više moguće."