Секрет довговічності акумуляторних батарей може критися у прийнятті відмінностей. Нове моделювання того, як літій-іонні елементи в упаковці деградують, показує спосіб адаптувати зарядку до ємності кожної комірки, щоб акумулятори електромобілів могли витримувати більше циклів заряджання та запобігати виходу з ладу.

Дослідження, опубліковане 5 листопада уIEEE Transactions on Control Systems Technology, показує, як активне управління кількістю електричного струму, що надходить до кожного елемента в батареї, замість рівномірної подачі заряду, може мінімізувати знос. Такий підхід ефективно дозволяє кожному елементу прожити свій найкращий – і найдовший – термін служби.

За словами професорки Стенфордського університету та старшого автора дослідження Сімони Онорі, початкові симуляції показують, що акумулятори, що працюють за новою технологією, можуть витримувати щонайменше на 20% більше циклів зарядки-розрядки, навіть за умови частої швидкої зарядки, що створює додаткове навантаження на акумулятор.

Більшість попередніх зусиль щодо подовження терміну служби акумулятора електромобіля були зосереджені на вдосконаленні конструкції, матеріалів та виробництва окремих елементів, виходячи з передумови, що, як ланки в ланцюгу, акумуляторний блок настільки ж хороший, як і його найслабший елемент. Нове дослідження починається з розуміння того, що хоча слабкі ланки неминучі – через виробничі недоліки та тому, що деякі елементи деградують швидше за інші, коли вони піддаються впливу навантажень, таких як тепло – вони не обов'язково повинні виводити з ладу весь блок. Головне – адаптувати швидкість заряджання до унікальної ємності кожного елемента, щоб запобігти виходу з ладу.

«Якщо не вжити належних заходів, міжелементна неоднорідність може негативно вплинути на довговічність, справність та безпеку акумуляторного блоку, а також призвести до його передчасного виходу з ладу», — сказав Онорі, доцент кафедри енергетичної інженерії в Школі сталого розвитку Стенфордського університету Дорра. «Наш підхід вирівнює енергію в кожному елементі акумуляторного блоку, збалансовано доводячи всі елементи до кінцевого цільового стану заряду та збільшуючи термін служби акумулятора».

Натхненний створити акумулятор на мільйон миль

Частково поштовхом для нового дослідження стала заявка компанії Tesla, що виробляє електромобілі, у 2020 році про роботу над «мільйономильною батареєю». Це буде батарея, здатна живити автомобіль протягом 1 мільйона миль або більше (за умови звичайної зарядки), перш ніж досягне точки, коли, як і літій-іонна батарея у старому телефоні чи ноутбуці, батарея електромобіля тримає занадто мало заряду для функціональності.

Такий акумулятор перевищив би типову гарантію автовиробників на акумулятори для електромобілів, яка становить вісім років або 100 000 миль. Хоча акумуляторні блоки зазвичай довше витримують гарантію, довіра споживачів до електромобілів могла б зміцнитися, якби дорога заміна акумуляторних блоків стала ще рідшою. Акумулятор, який все ще може утримувати заряд після тисяч зарядок, також міг би полегшити шлях до електрифікації вантажівок для далекобійних перевезень та впровадження так званих систем «транспортне засіб-мережа», в яких акумулятори електромобілів зберігатимуть та відправлятимуть відновлювану енергію в енергомережу.

«Пізніше було пояснено, що концепція акумулятора з мільйонним запасом ходу насправді не була новою хімією, а лише способом експлуатації акумулятора, не змушуючи його використовувати повний діапазон заряду», – сказав Онорі. Пов’язані дослідження зосереджувалися на окремих літій-іонних елементах, які зазвичай не втрачають ємність заряду так швидко, як повні акумуляторні блоки.

Заінтригована Онорі та двоє дослідників з її лабораторії – постдокторант Вахід Азімі та аспірант Анірудх Аллам – вирішили дослідити, як винахідливе управління існуючими типами акумуляторів може покращити продуктивність та термін служби повного акумуляторного блоку, який може містити сотні або тисячі елементів.

Модель високоякісного акумулятора

Як перший крок, дослідники створили високоточну комп'ютерну модель поведінки акумулятора, яка точно відображала фізичні та хімічні зміни, що відбуваються всередині акумулятора протягом терміну його служби. Деякі з цих змін відбуваються за лічені секунди або хвилини, інші — протягом місяців або навіть років.

«Наскільки нам відомо, жодне попереднє дослідження не використовувало таку високоточну, багаточасову модель батареї, яку ми створили», — сказав Онорі, директор Стенфордської лабораторії контролю енергії.

Проведення симуляцій з використанням цієї моделі показало, що сучасний акумуляторний блок можна оптимізувати та контролювати, враховуючи відмінності між його складовими елементами. Онорі та його колеги вважають, що їхня модель буде використана для розробки систем управління акумуляторами в найближчі роки, які можна буде легко впровадити в існуючі конструкції транспортних засобів.

Не лише електромобілі можуть отримати вигоду. Практично будь-яке застосування, яке «значно навантажує акумуляторний блок», може бути гарним кандидатом для кращого управління, враховуючи нові результати, сказав Онорі. Один із прикладів? Літальні апарати, схожі на дрони, з електричним вертикальним злетом і посадкою, які іноді називають eVTOL, які деякі підприємці очікують використовувати як повітряні таксі та надавати інші послуги міської повітряної мобільності протягом наступного десятиліття. Тим не менш, ваблять інші застосування літій-іонних акумуляторів, що перезаряджаються, включаючи авіацію загального призначення та великомасштабне зберігання відновлюваної енергії.

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