Tajomstvo dlhej životnosti nabíjateľných batérií môže spočívať v objatí odlišnosti.Nové modelovanie degradácie lítium-iónových článkov v balení ukazuje spôsob, ako prispôsobiť nabíjanie kapacite každého článku, aby batérie EV zvládli viac nabíjacích cyklov a odvrátili zlyhanie.

Výskum, publikovaný 5. novembraIEEE transakcie s technológiou riadiacich systémov, ukazuje, ako aktívne riadenie množstva elektrického prúdu prúdiaceho do každého článku v balení namiesto rovnomerného dodávania náboja môže minimalizovať opotrebovanie.Tento prístup efektívne umožňuje každej bunke žiť svoj najlepší – a najdlhší – život.

Podľa profesorky zo Stanfordu a hlavnej autorky štúdie Simony Onoriovej počiatočné simulácie naznačujú, že batérie riadené novou technológiou by zvládli aspoň o 20 % viac cyklov nabíjania a vybíjania, a to aj pri častom rýchlom nabíjaní, ktoré batériu navyše zaťažuje.

Väčšina predchádzajúcich snáh o predĺženie životnosti batérií pre elektromobily sa zamerala na zlepšenie dizajnu, materiálov a výroby jednotlivých článkov na základe predpokladu, že ako články reťaze, aj batéria je taká dobrá, ako dobrý je jej najslabší článok.Nová štúdia začína pochopením, že zatiaľ čo slabé články sú nevyhnutné – kvôli výrobným nedokonalostiam a pretože niektoré bunky sa pri vystavení stresu, akým je teplo, degradujú rýchlejšie ako iné – nemusia zničiť celý balík.Kľúčom je prispôsobiť rýchlosť nabíjania jedinečnej kapacite každého článku, aby sa predišlo zlyhaniu.

„Ak nie sú správne vyriešené, heterogenity medzi bunkami môžu ohroziť životnosť, zdravie a bezpečnosť batérie a spôsobiť skorú poruchu batérie,“ povedal Onori, ktorý je odborným asistentom inžinierstva energetických vied na Stanford Doerr. Škola udržateľnosti."Náš prístup vyrovnáva energiu v každej bunke v balení, vyváženým spôsobom privádza všetky bunky do konečného cieľového stavu nabitia a zlepšuje životnosť balenia."

Inšpirované vybudovaním batérie na milión míľ

Časť impulzu pre nový výskum sa datuje od oznámenia spoločnosti Tesla v roku 2020 o práci na „batérii na milión míľ“.Išlo by o batériu schopnú napájať auto na 1 milión míľ alebo viac (pri pravidelnom nabíjaní), než dosiahne bod, v ktorom, podobne ako lítium-iónová batéria v starom telefóne alebo notebooku, má batéria EV príliš málo nabitia na to, aby bola funkčná. .

Takáto batéria by prekročila typickú záruku výrobcov automobilov na batérie elektrických vozidiel na osem rokov alebo 100 000 míľ.Aj keď batérie bežne prekračujú záručnú dobu, dôveru spotrebiteľov v elektrické vozidlá by bolo možné posilniť, ak by drahé výmeny batérií boli stále zriedkavejšie.Batéria, ktorá dokáže udržať nabitie aj po tisíckach dobití, by tiež mohla uľahčiť elektrifikáciu nákladných vozidiel na diaľkovú dopravu a prijatie takzvaných systémov Vehicle-to-grid, v ktorých by batérie elektromobilov uchovávali a odosielali obnoviteľnú energiu. elektrickej siete.

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

Zaujatá Onori a dvaja výskumníci v jej laboratóriu – postdoktorand Vahid Azimi a doktorandka Anirudh Allam – sa rozhodli preskúmať, ako by vynaliezavé riadenie existujúcich typov batérií mohlo zlepšiť výkon a životnosť plnej batérie, ktorá môže obsahovať stovky alebo tisíce článkov. .

Vysoko verný model batérie

Ako prvý krok vedci vytvorili verný počítačový model správania batérie, ktorý presne reprezentuje 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 taký vysoko verný model batérie s viacerými časovými mierkami, ktorý sme vytvorili,“ povedal Onori, ktorý je riaditeľom laboratória Stanford Energy Control Lab.

Simulácie chodu s modelom naznačili, že modernú batériu možno optimalizovať a ovládať zahrnutím rozdielov medzi jej základnými článkami.Onori a kolegovia si myslia, že ich model sa v nasledujúcich rokoch použije na usmernenie vývoja systémov správy batérií, ktoré možno ľahko nasadiť v existujúcich dizajnoch vozidiel.

Nie sú to len elektrické vozidlá, ktoré budú mať prospech.Prakticky každá aplikácia, ktorá „veľmi zaťažuje batériu“, by mohla byť dobrým kandidátom na lepšie riadenie informované o nových výsledkoch, povedal Onori.Jeden príklad?Lietadlá podobné dronom s elektrickým vertikálnym vzletom a pristátím, niekedy nazývané eVTOL, od ktorých niektorí podnikatelia očakávajú, že budú v nasledujúcom desaťročí fungovať ako aerotaxi a poskytovať ďalšie služby mestskej leteckej mobility.Napriek tomu priťahujú ďalšie aplikácie pre dobíjateľné lítium-iónové batérie, vrátane všeobecného letectva a veľkokapacitného skladovania obnoviteľnej energie.

"Lítium-iónové batérie už zmenili svet mnohými spôsobmi," povedal Onori."Je dôležité, aby sme z tejto transformačnej technológie a jej budúcich nástupcov vyťažili čo najviac."