Sekret długiej żywotności akumulatorów może leżeć w akceptacji różnorodności. Nowe modele degradacji ogniw litowo-jonowych w akumulatorze wskazują sposób na dostosowanie ładowania do pojemności każdego ogniwa, dzięki czemu akumulatory pojazdów elektrycznych mogą wytrzymać więcej cykli ładowania i uniknąć awarii.

Badanie opublikowane 5 listopada wIEEE Transactions on Control Systems Technology, pokazuje, jak aktywne zarządzanie ilością prądu elektrycznego przepływającego do każdego ogniwa w pakiecie, zamiast równomiernego dostarczania ładunku, może zminimalizować zużycie. Takie podejście skutecznie pozwala każdemu ogniwu żyć jak najdłużej.

Według Simony Onori, profesor Uniwersytetu Stanforda i starszej autorki badania, wstępne symulacje wskazują, że akumulatory zarządzane przy użyciu nowej technologii mogłyby wytrzymać co najmniej o 20% więcej cykli ładowania i rozładowania, nawet przy częstym szybkim ładowaniu, które dodatkowo obciąża akumulator.

Większość dotychczasowych wysiłków mających na celu wydłużenie żywotności akumulatorów samochodów elektrycznych koncentrowała się na ulepszaniu konstrukcji, materiałów i produkcji pojedynczych ogniw, opierając się na założeniu, że – niczym ogniwa w łańcuchu – akumulator jest tak dobry, jak jego najsłabsze ogniwo. Nowe badanie opiera się na założeniu, że choć słabe ogniwa są nieuniknione – z powodu niedoskonałości produkcyjnych i szybszej degradacji niektórych ogniw niż innych pod wpływem naprężeń, takich jak ciepło – nie muszą one negatywnie wpływać na cały akumulator. Kluczem jest dostosowanie szybkości ładowania do unikalnej pojemności każdego ogniwa, aby zapobiec awarii.

„Jeśli problem nie zostanie odpowiednio rozwiązany, niejednorodności między ogniwami mogą negatywnie wpłynąć na żywotność, stan techniczny i bezpieczeństwo akumulatora oraz spowodować jego przedwczesną awarię” – powiedział Onori, adiunkt inżynierii energetycznej w Stanford Doerr School of Sustainability. „Nasze podejście wyrównuje energię w każdym ogniwie akumulatora, doprowadzając wszystkie ogniwa do docelowego stanu naładowania w zrównoważony sposób i wydłużając żywotność akumulatora”.

Zainspirowany do zbudowania baterii o żywotności miliona mil

Część impulsu do nowych badań wynika z ogłoszenia z 2020 roku przez firmę Tesla, produkującą samochody elektryczne, o pracach nad „baterii o żywotności miliona mil”. Miałaby to być bateria zdolna do zasilania samochodu przez milion mil lub więcej (przy regularnym ładowaniu), zanim – podobnie jak w przypadku baterii litowo-jonowej w starym telefonie czy laptopie – akumulator pojazdu elektrycznego będzie miał zbyt mało ładunku, aby funkcjonować.

Taki akumulator przewyższyłby typową gwarancję producentów samochodów na akumulatory pojazdów elektrycznych, wynoszącą osiem lat lub 100 000 mil. Chociaż akumulatory rutynowo wytrzymują dłużej niż okres gwarancji, zaufanie konsumentów do pojazdów elektrycznych mogłoby wzrosnąć, gdyby kosztowne wymiany akumulatorów stały się jeszcze rzadsze. Akumulator, który nadal będzie mógł utrzymać ładunek po tysiącach ładowań, mógłby również ułatwić elektryfikację ciężarówek dalekobieżnych oraz wdrożenie tzw. systemów pojazd-sieć, w których akumulatory pojazdów elektrycznych magazynowałyby i przesyłały energię odnawialną do sieci energetycznej.

„Później wyjaśniono, że koncepcja akumulatora o żywotności miliona mil nie była tak naprawdę nową technologią chemiczną, a jedynie sposobem na eksploatację akumulatora bez konieczności wykorzystywania pełnego zasięgu ładowania” – powiedział Onori. Powiązane badania koncentrowały się na pojedynczych ogniwach litowo-jonowych, które generalnie nie tracą pojemności tak szybko, jak pełne akumulatory.

Zaintrygowana Onori i dwaj badacze z jej laboratorium – stypendysta podoktorski Vahid Azimi i doktorant Anirudh Allam – postanowili zbadać, w jaki sposób pomysłowe zarządzanie istniejącymi typami baterii może poprawić wydajność i wydłużyć czas pracy pełnego zestawu baterii, który może zawierać setki lub tysiące ogniw.

Model akumulatora o wysokiej wierności

Pierwszym krokiem było stworzenie przez naukowców precyzyjnego komputerowego modelu zachowania baterii, który dokładnie odzwierciedlał zmiany fizyczne i chemiczne zachodzące w akumulatorze w trakcie jego eksploatacji. Niektóre z tych zmian zachodzą w ciągu kilku sekund lub minut – inne trwają miesiące, a nawet lata.

„O ile nam wiadomo, w żadnym wcześniejszym badaniu nie wykorzystano tak dokładnego i wieloskalowego modelu akumulatora, jaki stworzyliśmy” – powiedział Onori, dyrektor Stanford Energy Control Lab.

Symulacje przeprowadzone z wykorzystaniem tego modelu sugerują, że nowoczesny akumulator można zoptymalizować i kontrolować, uwzględniając różnice między jego ogniwami. Onori i współpracownicy przewidują, że ich model będzie w nadchodzących latach wykorzystywany do kierowania rozwojem systemów zarządzania akumulatorami, które będzie można łatwo wdrożyć w istniejących projektach pojazdów.

Nie tylko pojazdy elektryczne mogą na tym skorzystać. Praktycznie każde zastosowanie, które „bardzo obciąża akumulator”, może być dobrym kandydatem do lepszego zarządzania, uwzględniającego nowe wyniki, powiedział Onori. Przykład? Samoloty przypominające drony z elektrycznym pionowym startem i lądowaniem, czasami nazywane eVTOL, które, jak spodziewają się niektórzy przedsiębiorcy, będą w ciągu najbliższej dekady pełnić funkcję taksówek powietrznych 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.

„Baterie litowo-jonowe zmieniły już świat na wiele sposobów” – powiedział Onori. „Ważne jest, abyśmy maksymalnie wykorzystali tę rewolucyjną technologię i jej przyszłych następców”.