Tajomstvo dlhej životnosti nabíjateľných batérií môže spočívať v prijatí odlišnosti. Nové modelovanie degradácie lítium-iónových článkov v batérii ukazuje spôsob, ako prispôsobiť nabíjanie kapacite každého článku, aby batérie pre elektromobily zvládli viac nabíjacích cyklov a predišli poruche.

Výskum, publikovaný 5. novembra vIEEE Transactions on Control Systems Technology, ukazuje, ako aktívne riadenie množstva elektrického prúdu prúdiaceho do každej bunky v batérii, namiesto rovnomerného dodávania náboja, môže minimalizovať opotrebovanie. Tento prístup efektívne umožňuje každej bunke žiť svoju najlepšiu – a najdlhšiu – životnosť.

Podľa profesorky Stanfordskej univerzity a hlavnej autorky štúdie Simony Onori počiatočné simulácie naznačujú, že batérie riadené novou technológiou by zvládli najmenej o 20 % viac cyklov nabitia a vybitia, a to aj pri častom rýchlom nabíjaní, ktoré batériu dodatočne zaťažuje.

Väčšina predchádzajúcich snáh o predĺženie životnosti batérií elektromobilov sa zameriavala na zlepšenie dizajnu, materiálov a výroby jednotlivých článkov, vychádzajúc z predpokladu, že podobne ako články v reťazi, aj batériový blok je len taký dobrý, ako jeho najslabší článok. Nová štúdia vychádza z pochopenia, že hoci slabé články sú nevyhnutné – kvôli výrobným nedokonalostiam a preto, že niektoré články sa opotrebúvajú rýchlejšie ako iné, pretože sú vystavené namáhaniu, ako je teplo – nemusia vybiť celý akumulátor. Kľúčom je prispôsobiť rýchlosť nabíjania jedinečnej kapacite každého článku, aby sa predišlo poruche.

„Ak sa heterogenity medzi bunkami neriešia správne, môžu ohroziť životnosť, zdravie a bezpečnosť batériového zdroja a spôsobiť jeho skorú poruchu,“ povedal Onori, ktorý je odborným asistentom energetického inžinierstva na Stanford Doerr School of Sustainability. „Náš prístup vyrovnáva energiu v každom článku batériového zdroja, čím všetky články vyváženým spôsobom dovedie do cieľového stavu nabitia a predlžuje životnosť batériového zdroja.“

Inšpirované k vybudovaniu batérie s dojazdom milión míľ

Časť impulzu pre nový výskum siaha až k oznámeniu spoločnosti Tesla, ktorá vyrába elektromobily, z roku 2020 o práci na „batérii s dojazdom milióna míľ“. Išlo by o batériu schopnú napájať auto na vzdialenosť 1 milión míľ alebo viac (pri bežnom nabíjaní), kým nedosiahne bod, kedy, podobne ako lítium-iónová batéria v starom telefóne alebo notebooku, batéria elektromobilu drží príliš málo nabitia na to, aby bola funkčná.

Takáto batéria by prekročila typickú záruku výrobcov automobilov na batérie elektromobilov, ktorá je osem rokov alebo 160 000 km. Hoci batériové bloky bežne presahujú záruku, dôvera spotrebiteľov v elektromobily by sa mohla posilniť, ak by sa drahé výmeny batériových blokov stali ešte zriedkavejšími. Batéria, ktorá si udrží nabitie aj po tisíckach nabíjaní, by tiež mohla uľahčiť elektrifikáciu diaľkových nákladných vozidiel a prijatie tzv. systémov „vehicle-to-grid“, v ktorých by batérie elektromobilov ukladali a odosielali obnoviteľnú energiu do elektrickej siete.

„Neskôr bolo vysvetlené, že koncept batérie s dojazdom milióna míľ nebol v skutočnosti novou chémiou, ale len spôsobom, ako prevádzkovať batériu tak, že sa nevyužije plný rozsah nabitia,“ povedal Onori. Súvisiaci výskum sa zameral na jednotlivé lítium-iónové články, ktoré vo všeobecnosti nestrácajú kapacitu nabitia tak rýchlo ako plné batérie.

Onori a dvaja výskumníci z jej laboratória – postdoktorand Vahid Azimi a doktorand Anirudh Allam – boli zaujatí a rozhodli sa preskúmať, ako by invenčné riadenie existujúcich typov batérií mohlo zlepšiť výkon a životnosť plnej batérie, ktorá môže obsahovať stovky alebo tisíce článkov.

Model s vysoko presnou batériou

Ako prvý krok výskumníci vytvorili vysoko presný počítačový model správania batérie, ktorý presne znázorňoval fyzikálne a chemické zmeny, ku ktorým dochádza vo vnútri batérie počas jej prevádzkovej životnosti. Niektoré z týchto zmien sa prejavia v priebehu niekoľkých sekúnd alebo minút – iné v priebehu mesiacov alebo dokonca rokov.

„Pokiaľ je nám známe, žiadna predchádzajúca štúdia nepoužila takýto vysoko presný, viacčasový model batérie, aký sme vytvorili,“ povedal Onori, ktorý je riaditeľom Stanfordského laboratória pre riadenie energie.

Simulácie s modelom naznačili, že moderný batériový blok je možné optimalizovať a riadiť zohľadnením rozdielov medzi jeho jednotlivými článkami. Onori a kolegovia si predstavujú, že ich model sa v nasledujúcich rokoch použije na usmernenie vývoja systémov správy batérií, ktoré sa dajú ľahko nasadiť do existujúcich konštrukcií vozidiel.

Nie sú to len elektrické vozidlá, ktoré by z toho mohli profitovať. Prakticky každá aplikácia, ktorá „veľmi zaťažuje batériový blok“, by mohla byť dobrým kandidátom na lepšie riadenie na základe nových výsledkov, povedal Onori. Jedným príkladom? Lietadlá podobné dronom s elektrickým vertikálnym vzletom a pristátím, niekedy nazývané eVTOL, ktoré niektorí podnikatelia očakávajú, že budú v nasledujúcom desaťročí prevádzkované ako letecké taxíky a poskytovať ďalšie služby mestskej leteckej mobility. Napriek tomu lákajú aj ďalšie aplikácie pre nabíjateľné lítium-iónové batérie, vrátane všeobecného letectva a veľkoobjemového skladovania obnoviteľnej energie.

„Lítium-iónové batérie už v mnohých ohľadoch zmenili svet,“ povedal Onori. „Je dôležité, aby sme z tejto transformačnej technológie a jej budúcich nástupcov vyťažili čo najviac.“