Sekret długiej żywotności akumulatorów może leżeć w akceptacji różnorodności.Nowe modelowanie degradacji ogniw litowo-jonowych w pakiecie pokazuje sposób dostosowania ładowania do pojemności każdego ogniwa, dzięki czemu akumulatory EV mogą wytrzymać większą liczbę cykli ładowania i zapobiec awariom.

Badanie, opublikowane 5 listopada wTransakcje IEEE dotyczące technologii systemów sterowania, pokazuje, jak aktywne zarządzanie ilością prądu elektrycznego przepływającego do każdego ogniwa w zestawie, zamiast równomiernego dostarczania ładunku, może zminimalizować zużycie.Takie podejście skutecznie pozwala każdej komórce żyć najlepiej i najdłużej.

Według profesor Stanforda i starszej autorki badania, Simony Onori, wstępne symulacje sugerują, że akumulatory zarządzane przy użyciu nowej technologii mogłyby wytrzymać co najmniej 20% więcej cykli ładowania i rozładowania, nawet przy częstym, szybkim ładowaniu, co powoduje dodatkowe obciążenie akumulatora.

Większość wcześniejszych wysiłków mających na celu przedłużenie żywotności akumulatorów do samochodów elektrycznych skupiała się na udoskonalaniu projektu, materiałów i produkcji pojedynczych ogniw w oparciu o założenie, że podobnie jak ogniwa w łańcuchu, zestaw akumulatorów jest tak dobry, jak jego najsłabsze ogniwo.Nowe badanie rozpoczyna się od zrozumienia, że ​​choć słabe ogniwa są nieuniknione – ze względu na niedoskonałości produkcyjne i ponieważ niektóre ogniwa ulegają degradacji szybciej niż inne pod wpływem naprężeń takich jak ciepło – nie muszą one niszczyć całego pakietu.Kluczem jest dostosowanie szybkości ładowania do unikalnej pojemności każdego ogniwa, aby zapobiec awariom.

„Niejednorodności między ogniwami, jeśli nie zostaną odpowiednio wyeliminowane, mogą zagrozić trwałości, zdrowiu i bezpieczeństwu zestawu akumulatorów oraz spowodować przedwczesną awarię zestawu akumulatorów” – powiedział Onori, adiunkt w dziedzinie inżynierii energetycznej w Stanford Doerr Szkoła Zrównoważonego Rozwoju.„Nasze podejście wyrównuje energię w każdym ogniwie pakietu, doprowadzając wszystkie ogniwa do docelowego stanu naładowania w zrównoważony sposób i poprawiając trwałość pakietu”.

Zainspirowany zbudowaniem akumulatora o mocy miliona mil

Impuls do nowych badań częściowo wywodzi się z ogłoszenia w 2020 roku przez Teslę, producenta samochodów elektrycznych, prac nad „akumulatorem o zasięgu miliona mil”.Byłby to akumulator zdolny do zasilania samochodu przez ponad milion mil (przy regularnym ładowaniu), zanim osiągnie punkt, w którym, podobnie jak akumulator litowo-jonowy w starym telefonie lub laptopie, akumulator pojazdu elektrycznego utrzymuje zbyt mało ładunku, aby działał .

Taki akumulator przekraczałby typową gwarancję producentów samochodów na akumulatory do pojazdów elektrycznych wynoszącą osiem lat lub 160 000 mil.Choć okres gwarancji na akumulatory zwykle przekracza okres gwarancji, zaufanie konsumentów do pojazdów elektrycznych mogłoby wzrosnąć, gdyby wymiana kosztownych akumulatorów stała się jeszcze rzadsza.Akumulator, który może nadal utrzymywać ładunek po tysiącach ładowań, mógłby również ułatwić elektryfikację pojazdów ciężarowych poruszających się na długich dystansach oraz przyjęcie tak zwanych systemów pojazdu-sieć, w których akumulatory pojazdów elektrycznych będą magazynować i wysyłać energię odnawialną przez sieć energetyczną.

„Później wyjaśniono, że koncepcja akumulatora o zasięgu miliona mil nie była tak naprawdę nowym rozwiązaniem chemicznym, ale po prostu sposobem na obsługę akumulatora bez wykorzystywania pełnego zakresu ładowania” – powiedział Onori.Powiązane badania skupiały się na pojedynczych ogniwach litowo-jonowych, które zazwyczaj nie tracą pojemności tak szybko, jak w przypadku pełnych akumulatorów.

Zaintrygowana Onori i dwóch badaczy w jej laboratorium – doktorant Vahid Azimi i doktorant Anirudh Allam – postanowili zbadać, w jaki sposób pomysłowe zarządzanie istniejącymi typami baterii może poprawić wydajność i żywotność pełnego pakietu baterii, który może zawierać setki lub tysiące ogniw .

Model baterii o wysokiej wierności

Na początek badacze stworzyli komputerowy model zachowania baterii o wysokiej wierności, który dokładnie odzwierciedla zmiany fizyczne i chemiczne zachodzące wewnątrz baterii w trakcie jej okresu użytkowania.Niektóre z tych zmian zachodzą w ciągu kilku sekund lub minut – inne w ciągu miesięcy, a nawet lat.

„Według naszej najlepszej wiedzy w żadnym wcześniejszym badaniu nie wykorzystano tak dokładnego, wieloskalowego modelu baterii, który stworzyliśmy” – powiedział Onori, dyrektor Laboratorium Kontroli Energii Stanforda.

Przeprowadzone symulacje z wykorzystaniem modelu sugerują, że nowoczesny zestaw akumulatorów można optymalizować i kontrolować, uwzględniając różnice między ogniwami składowymi.Onori i współpracownicy przewidują, że ich model zostanie wykorzystany do kierowania rozwojem systemów zarządzania akumulatorami w nadchodzących latach, które można łatwo wdrożyć w istniejących projektach pojazdów.

Nie tylko pojazdy elektryczne mogą na tym zyskać.Praktycznie każda aplikacja, która „bardzo obciąża akumulator”, może być dobrym kandydatem do lepszego zarządzania na podstawie nowych wyników, powiedział Onori.Jeden przykład?Samoloty przypominające drony z elektrycznym pionowym startem i lądowaniem, czasami nazywane eVTOL, które według niektórych przedsiębiorców będą w ciągu najbliższej dekady działać jako taksówki powietrzne i świadczyć inne usługi miejskiej mobilności powietrznej.Wciąż jednak kuszą inne zastosowania akumulatorów litowo-jonowych, w tym lotnictwo ogólne i magazynowanie energii odnawialnej na dużą skalę.

„Akumulatory litowo-jonowe już zmieniły świat na wiele sposobów” – powiedział Onori.„Ważne jest, abyśmy wynieśli jak najwięcej z tej rewolucyjnej technologii i jej przyszłych następców”.