Tajna dugog vijeka trajanja punjivih baterija možda leži u prihvatanju različitosti. Novo modeliranje degradacije litijum-jonskih ćelija u paketu pokazuje način prilagođavanja punjenja kapacitetu svake ćelije kako bi baterije za električna vozila mogle podnijeti više ciklusa punjenja i spriječiti kvar.

Istraživanje, objavljeno 5. novembra uIEEE Transakcije o tehnologiji kontrolnih sistema, pokazuje kako aktivno upravljanje količinom električne struje koja teče do svake ćelije u paketu, umjesto ravnomjerne isporuke punjenja, može smanjiti habanje. Ovaj pristup efikasno omogućava svakoj ćeliji da živi svoj najbolji - i najduži - životni vijek.

Prema riječima profesorice sa Stanforda i glavne autorice studije Simone Onori, početne simulacije sugeriraju da baterije upravljane novom tehnologijom mogu podnijeti najmanje 20% više ciklusa punjenja i pražnjenja, čak i uz često brzo punjenje, što dodatno opterećuje bateriju.

Većina prethodnih napora za produženje vijeka trajanja baterije električnih automobila fokusirala se na poboljšanje dizajna, materijala i proizvodnje pojedinačnih ćelija, na osnovu pretpostavke da je, poput karika u lancu, baterijski paket 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 toplote - one ne moraju uništiti cijeli paket. Ključno je prilagoditi brzine punjenja jedinstvenom kapacitetu svake ćelije kako bi se spriječio kvar.

„Ako se pravilno ne riješe, heterogenosti između ćelija mogu ugroziti dugovječnost, zdravlje i sigurnost baterijskog paketa i izazvati rani kvar baterijskog paketa“, rekao je Onori, koji je docent energetskog inženjerstva na Stanford Doerr školi za održivost. „Naš pristup izjednačava energiju u svakoj ćeliji u paketu, dovodeći sve ćelije do konačnog ciljanog stanja napunjenosti na uravnotežen način i poboljšavajući dugovječnost paketa.“

Inspirisan za izgradnju baterije od milion milja

Dio podsticaja za novo istraživanje potiče od najave Tesle, kompanije za električne automobile, iz 2020. godine o radu na "bateriji od milion milja". To bi bila baterija sposobna da napaja automobil milion milja ili više (uz redovno punjenje) prije nego što dostigne tačku u kojoj, poput litijum-jonske baterije u starom telefonu ili laptopu, baterija električnog vozila drži premalo napunjenosti da bi bila funkcionalna.

Takva baterija bi premašila tipičnu garanciju proizvođača automobila za baterije električnih vozila od osam godina ili 160.000 kilometara. Iako baterijski paketi rutinski traju duže od svoje garancije, 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 hiljada punjenja također bi mogla olakšati put elektrifikaciji kamiona za duge relacije i usvajanju takozvanih sistema "vozilo-mreža", u kojima bi baterije električnih vozila skladištile i slale obnovljivu energiju za električnu mrežu.

„Kasnije je objašnjeno da koncept baterije s dometom od milion milja nije zapravo bio nova hemijska formula, već samo način rada baterije tako što se ne koristi puni raspon punjenja“, rekao je Onori. Slična istraživanja su se fokusirala na pojedinačne litijum-jonske ćelije, koje uglavnom ne gube kapacitet punjenja tako brzo kao puni baterijski paketi.

Zaintrigirana, Onori i dva istraživača u njenoj laboratoriji - postdoktorski naučnik 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 hiljade ćelija.

Model visokokvalitetne baterije

Kao prvi korak, istraživači su izradili visokoprecizan kompjuterski model ponašanja baterije koji je precizno predstavljao fizičke i hemijske promjene koje se odvijaju unutar baterije tokom njenog radnog vijeka. Neke od ovih promjena odvijaju se u roku od nekoliko sekundi ili minuta - druge tokom mjeseci ili čak godina.

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

Pokretanje simulacija s modelom sugerira da se moderni baterijski paket može optimizirati i kontrolirati uzimajući u obzir razlike među njegovim sastavnim ćelijama. Onori i kolege predviđaju da će se njihov model koristiti za vođenje razvoja sistema za upravljanje baterijama u narednim godinama, koji se mogu lako primijeniti u postojećim dizajnima vozila.

Nisu samo električna vozila ta koja bi mogla imati koristi. Gotovo svaka primjena koja "jako opterećuje baterijski sklop" mogla bi biti dobar kandidat za bolje upravljanje na osnovu novih rezultata, rekao je Onori. Jedan primjer? Letjelice slične dronu s električnim vertikalnim polijetanjem i slijetanjem, ponekad nazvane eVTOL, za koje neki poduzetnici očekuju da će se koristiti kao zračni taksiji i pružati druge usluge urbane zračne mobilnosti u narednoj deceniji. Ipak, postoje i druge primjene punjivih litijum-jonskih baterija, uključujući opću avijaciju i skladištenje obnovljive energije velikih razmjera.

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