Секрет довговічності акумуляторних батарей може полягати в відмінності.Нове моделювання того, як літій-іонні елементи в комплекті розкладаються, демонструє спосіб пристосувати зарядку до ємності кожного елемента, щоб батареї електромобілів могли витримувати більше циклів заряджання та запобігати виходу з ладу.

Дослідження, опубліковане 5 листопада вIEEE Transactions on Control Systems Technology, показує, як активне керування кількістю електричного струму, що надходить до кожної комірки в пакеті, замість рівномірної доставки заряду, може мінімізувати знос.Цей підхід ефективно дозволяє кожній клітині прожити найкраще – і найдовше – життя.

За словами професора Стенфордського університету та старшого автора дослідження Симони Онорі, початкове моделювання показує, що батареї, керовані за допомогою нової технології, можуть витримувати принаймні на 20% більше циклів заряджання-розряджання, навіть із частою швидкою зарядкою, яка створює додаткове навантаження на батарею.

Більшість попередніх зусиль, спрямованих на подовження терміну служби батареї електромобіля, були зосереджені на вдосконаленні дизайну, матеріалів і виробництва окремих елементів, базуючись на передумові, що, як і ланки в ланцюзі, акумуляторна батарея настільки ж хороша, наскільки хороша її найслабша клітина.Нове дослідження починається з розуміння того, що, незважаючи на те, що слабкі ланки є неминучими – через недосконалість виробництва та через те, що деякі клітини деградують швидше, ніж інші, оскільки вони піддаються стресу, наприклад теплу, – їм не потрібно виводити з ладу всю зграю.Головне – пристосувати швидкість заряджання до унікальної ємності кожного елемента, щоб уникнути збою.

«Якщо не впоратися належним чином, неоднорідності між клітинками можуть поставити під загрозу довговічність, здоров’я та безпеку акумуляторної батареї та спровокувати ранню несправність батареї», — сказав Онорі, доцент кафедри енергетики в Стенфордському університеті Доерр. Школа сталого розвитку.«Наш підхід вирівнює енергію в кожній клітинці пакета, збалансовано доводячи всі клітини до кінцевого цільового стану заряду та покращуючи довговічність пакета».

Натхненний створити батарею на мільйон миль

Частково поштовх для нового дослідження походить від оголошення 2020 року Tesla, компанії з виробництва електромобілів, про роботу над «батареєю на мільйон миль».Це буде батарея, здатна забезпечити живлення автомобіля на 1 мільйон миль або більше (за регулярної зарядки), перш ніж досягне точки, коли, як літій-іонний акумулятор у старому телефоні чи ноутбуці, акумулятор електромобіля утримує занадто мало заряду, щоб працювати. .

Така батарея перевищить стандартну гарантію автовиробників на батареї електромобілів у вісім років або 100 000 миль.Незважаючи на те, що гарантія на акумуляторні батареї зазвичай закінчується, довіра споживачів до електромобілів може підвищитися, якщо заміна дорогих акумуляторних батарей стане все рідшою.Акумулятор, який все ще може тримати заряд після тисяч перезарядок, також може полегшити шлях до електрифікації далекомагістральних вантажівок і до впровадження так званих систем від транспортного засобу до мережі, у яких батареї електромобілів зберігатимуть і розподілятимуть відновлювану енергію для електромережі.

«Пізніше було пояснено, що концепція батареї на мільйон миль насправді не є новою хімією, а просто способом роботи батареї, не змушуючи її використовувати повний діапазон заряду», — сказав Онорі.Відповідні дослідження були зосереджені на окремих літій-іонних елементах, які зазвичай не втрачають ємність заряду так швидко, як повні акумуляторні блоки.

Заінтригована Онорі та двоє дослідників у її лабораторії – постдокторант Вахід Азімі та докторант Аніруд Аллам – вирішили дослідити, як інноваційне управління існуючими типами батарей може покращити продуктивність і термін служби повної батареї, яка може містити сотні чи тисячі елементів. .

Модель акумулятора високої якості

В якості першого кроку дослідники створили високоточну комп’ютерну модель поведінки батареї, яка точно представляє фізичні та хімічні зміни, що відбуваються всередині батареї протягом терміну її експлуатації.Деякі з цих змін відбуваються за лічені секунди чи хвилини, інші – протягом місяців або навіть років.

«Наскільки нам відомо, у жодному попередньому дослідженні не використовувалась така високоточна багаточасова модель батареї, яку ми створили», — сказав Онорі, який є директором Стенфордської лабораторії управління енергією.

Запуск симуляції з моделлю припустив, що сучасну акумуляторну батарею можна оптимізувати та контролювати, враховуючи відмінності між її складовими елементами.Онорі та його колеги передбачають, що їхня модель буде використана для розробки систем керування батареями в найближчі роки, які можна буде легко розгорнути в існуючих конструкціях автомобілів.

Вигоду отримають не лише електромобілі.Практично будь-яка програма, яка «багато навантажує акумулятор», може бути хорошим кандидатом для кращого управління згідно з новими результатами, сказав Онорі.Один приклад?Літак, схожий на безпілотник, з електричним вертикальним зльотом і посадкою, іноді званий eVTOL, який деякі підприємці очікують використовувати як повітряні таксі та надавати інші послуги міської повітряної мобільності протягом наступного десятиліття.Тим не менш, інші застосування для перезаряджуваних літій-іонних батарей манять, включаючи авіацію загального призначення та великомасштабне зберігання відновлюваної енергії.

«Літій-іонні батареї вже багато в чому змінили світ», — сказав Онорі.«Важливо, щоб ми отримали якомога більше від цієї трансформаційної технології та її майбутніх наступників».