Tajna dugog vijeka trajanja punjivih baterija mogla bi ležati u prihvaćanju različitosti. Novo modeliranje degradacije litij-ionskih ćelija u paketu pokazuje način prilagođavanja punjenja kapacitetu svake ćelije kako bi baterije električnih vozila mogle podnijeti više ciklusa punjenja i spriječiti kvar.

Istraživanje, objavljeno 5. studenog uIEEE Transakcije o tehnologiji upravljačkih sustava, pokazuje kako aktivno upravljanje količinom električne struje koja teče do svake ćelije u paketu, umjesto ravnomjerne isporuke naboja, može smanjiti habanje. Pristup učinkovito omogućuje svakoj ćeliji da živi svoj najbolji - i najduži - životni vijek.

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

Većina prethodnih napora za produljenje vijeka trajanja baterije električnih automobila usredotočila se na poboljšanje dizajna, materijala i proizvodnje pojedinačnih ćelija, na temelju pretpostavke da je, poput karika u lancu, baterijski sklop dobar koliko i njegova najslabija ćelija. Nova studija počinje s razumijevanjem da, iako su slabe karike neizbježne - zbog nesavršenosti u proizvodnji i zato što se neke ćelije brže degradiraju od drugih jer su izložene naprezanjima poput topline - ne moraju uništiti cijeli sklop. Ključno je prilagoditi brzine punjenja jedinstvenom kapacitetu svake ćelije kako bi se spriječio kvar.

„Ako se s njima pravilno ne pozabavimo, heterogenosti među ćelijama mogu ugroziti dugovječnost, zdravlje i sigurnost baterijskog sklopa te uzrokovati rani kvar baterijskog sklopa“, rekao je Onori, koji je docent energetskog inženjerstva na Stanford Doerr School of Sustainability. „Naš pristup izjednačava energiju u svakoj ćeliji u sklopu sklopa, dovodeći sve ćelije do konačnog ciljanog stanja napunjenosti na uravnotežen način i poboljšavajući dugovječnost sklopa.“

Inspiriran za izgradnju baterije s dometom od milijun milja

Dio poticaja za novo istraživanje seže u najavu tvrtke Tesla, tvrtke za električne automobile, iz 2020. godine o radu na „bateriji s kapacitetom od milijun milja“. To bi bila baterija sposobna napajati automobil milijun milja ili više (uz redovito punjenje) prije nego što dosegne točku u kojoj, poput litij-ionske baterije u starom telefonu ili prijenosnom računalu, baterija električnog vozila drži premalo napunjenosti da bi bila funkcionalna.

Takva bi baterija premašila tipično jamstvo proizvođača automobila za baterije električnih vozila od osam godina ili 160.000 kilometara. Iako baterijski paketi rutinski traju dulje od jamstva, povjerenje potrošača u električna vozila moglo bi se ojačati ako bi skupe zamjene baterijskih paketa postale još rjeđe. Baterija koja i dalje može držati napunjenost nakon tisuća punjenja također bi mogla olakšati put elektrifikaciji kamiona za duge relacije i usvajanju takozvanih sustava "vozilo-mreža", u kojima bi baterije električnih vozila pohranjivale i slale obnovljivu energiju za električnu mrežu.

„Kasnije je objašnjeno da koncept baterije s dometom od milijun milja zapravo nije bio nova kemija, već samo način rada baterije tako da se ne koristi puni raspon punjenja“, rekao je Onori. Srodna istraživanja usredotočila su se na pojedinačne litij-ionske ćelije, koje općenito ne gube kapacitet punjenja tako brzo kao puni baterijski paketi.

Zaintrigirana, Onori i dva istraživača u njezinom laboratoriju - postdoktorand Vahid Azimi i doktorand Anirudh Allam - odlučili su istražiti kako inventivno upravljanje postojećim tipovima baterija može poboljšati performanse i vijek trajanja punog baterijskog paketa, koji može sadržavati stotine ili tisuće ćelija.

Model visokokvalitetne baterije

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

„Koliko znamo, nijedna prethodna studija nije koristila vrstu visokopreciznog, viševremenskog modela baterije kakav smo stvorili“, rekao je Onori, direktor Stanfordskog laboratorija za kontrolu energije.

Simulacije s modelom sugeriraju da se moderni baterijski sklop može optimizirati i kontrolirati prihvaćanjem razlika među njegovim sastavnim ćelijama. Onori i kolege predviđaju da će se njihov model koristiti za usmjeravanje razvoja sustava upravljanja baterijama u nadolazećim godinama koji se mogu lako primijeniti u postojećim dizajnima vozila.

Ne samo električna vozila mogu imati koristi. Gotovo svaka primjena koja „jako opterećuje baterijski sklop“ mogla bi biti dobar kandidat za bolje upravljanje na temelju novih rezultata, rekao je Onori. Jedan primjer? Zrakoplovi slični dronu s električnim vertikalnim polijetanjem i slijetanjem, ponekad nazvani eVTOL, za koje neki poduzetnici očekuju da će se koristiti kao zračni taksiji i pružati druge usluge urbane zračne mobilnosti tijekom sljedećeg desetljeća. Ipak, pozivaju na druge primjene punjivih litij-ionskih baterija, uključujući opće zrakoplovstvo i skladištenje obnovljive energije velikih razmjera.

„Litij-ionske baterije već su promijenile svijet na toliko mnogo načina“, rekao je Onori. „Važno je da izvučemo što više možemo iz ove transformativne tehnologije i njezinih nasljednika koji dolaze.“