Το μυστικό της μεγάλης διάρκειας ζωής των επαναφορτιζόμενων μπαταριών μπορεί να βρίσκεται σε μια αγκαλιά της διαφοράς.Η νέα μοντελοποίηση του τρόπου με τον οποίο υποβαθμίζονται οι κυψέλες ιόντων λιθίου σε ένα πακέτο δείχνει έναν τρόπο προσαρμογής της φόρτισης στη χωρητικότητα κάθε στοιχείου, ώστε οι μπαταρίες EV να μπορούν να χειρίζονται περισσότερους κύκλους φόρτισης και να αποτρέπουν την αστοχία.

Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στις 5 Νοεμβρίου στοΣυναλλαγές IEEE στην Τεχνολογία Συστημάτων Ελέγχου, δείχνει πώς η ενεργή διαχείριση της ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει σε κάθε στοιχείο σε ένα πακέτο, αντί να παρέχει ομοιόμορφη φόρτιση, μπορεί να ελαχιστοποιήσει τη φθορά.Η προσέγγιση επιτρέπει αποτελεσματικά σε κάθε κύτταρο να ζήσει την καλύτερη – και μεγαλύτερη – ζωή του.

Σύμφωνα με την καθηγήτρια του Stanford και ανώτερη συγγραφέα της μελέτης Simona Onori, οι αρχικές προσομοιώσεις δείχνουν ότι οι μπαταρίες που διαχειρίζονται με τη νέα τεχνολογία θα μπορούσαν να χειριστούν τουλάχιστον 20% περισσότερους κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, ακόμη και με συχνή γρήγορη φόρτιση, γεγονός που επιβαρύνει επιπλέον την μπαταρία.

Οι περισσότερες προηγούμενες προσπάθειες για παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας του ηλεκτρικού αυτοκινήτου επικεντρώθηκαν στη βελτίωση του σχεδιασμού, των υλικών και της κατασκευής μεμονωμένων κυψελών, με βάση την προϋπόθεση ότι, όπως οι κρίκοι μιας αλυσίδας, μια μπαταρία είναι τόσο καλή όσο η πιο αδύναμη κυψέλη της.Η νέα μελέτη ξεκινά με την κατανόηση ότι ενώ οι αδύναμοι κρίκοι είναι αναπόφευκτοι –λόγω ατελειών κατασκευής και επειδή ορισμένα κύτταρα αποικοδομούνται γρηγορότερα από άλλα καθώς εκτίθενται σε πιέσεις όπως η θερμότητα– δεν χρειάζεται να καταρρίψουν ολόκληρο το πακέτο.Το κλειδί είναι να προσαρμόσετε τα ποσοστά φόρτισης στη μοναδική χωρητικότητα κάθε κυψέλης για να αποτρέψετε την αποτυχία.

«Εάν δεν αντιμετωπιστούν σωστά, οι ετερογένειες από κύτταρο σε κύτταρο μπορεί να θέσουν σε κίνδυνο τη μακροζωία, την υγεία και την ασφάλεια μιας μπαταρίας και να προκαλέσουν πρώιμη δυσλειτουργία της μπαταρίας», δήλωσε ο Onori, ο οποίος είναι επίκουρος καθηγητής μηχανικής ενεργειακής επιστήμης στο Stanford Doerr. Σχολείο Αειφορίας.«Η προσέγγισή μας εξισώνει την ενέργεια σε κάθε στοιχείο της συσκευασίας, φέρνοντας όλα τα κύτταρα στην τελική στοχευμένη κατάσταση φόρτισης με ισορροπημένο τρόπο και βελτιώνοντας τη μακροζωία του πακέτου».

Εμπνευσμένο για την κατασκευή μιας μπαταρίας εκατομμυρίων μιλίων

Μέρος της ώθησης για τη νέα έρευνα εντοπίζεται σε μια ανακοίνωση του 2020 από την Tesla, την εταιρεία ηλεκτρικών αυτοκινήτων, για εργασία σε μια «μπαταρία εκατομμυρίων μιλίων».Αυτή θα ήταν μια μπαταρία ικανή να τροφοδοτήσει ένα αυτοκίνητο για 1 εκατομμύριο μίλια ή περισσότερα (με κανονική φόρτιση) πριν φτάσει στο σημείο όπου, όπως η μπαταρία ιόντων λιθίου σε ένα παλιό τηλέφωνο ή φορητό υπολογιστή, η μπαταρία του EV κρατά πολύ μικρή φόρτιση για να είναι λειτουργική .

Μια τέτοια μπαταρία θα υπερέβαινε την τυπική εγγύηση των αυτοκινητοβιομηχανιών για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων οκτώ ετών ή 100.000 μιλίων.Αν και τα πακέτα μπαταριών συνήθως υπερβαίνουν την εγγύησή τους, η εμπιστοσύνη των καταναλωτών στα ηλεκτρικά οχήματα θα μπορούσε να ενισχυθεί εάν οι ακριβές αντικαταστάσεις μπαταριών γίνονταν ακόμα πιο σπάνιες.Μια μπαταρία που μπορεί ακόμα να φορτίσει μετά από χιλιάδες επαναφορτίσεις θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει τον δρόμο για την ηλεκτροδότηση φορτηγών μεγάλων αποστάσεων και την υιοθέτηση των λεγόμενων συστημάτων από όχημα σε δίκτυο, στα οποία οι μπαταρίες EV θα αποθηκεύουν και θα αποστέλλουν ανανεώσιμη ενέργεια για το ηλεκτρικό δίκτυο.

«Αργότερα εξηγήθηκε ότι η ιδέα της μπαταρίας των εκατομμυρίων μιλίων δεν ήταν πραγματικά μια νέα χημεία, αλλά απλώς ένας τρόπος για να λειτουργήσει η μπαταρία, χωρίς να την κάνει να χρησιμοποιεί το πλήρες εύρος φόρτισης», είπε ο Onori.Η σχετική έρευνα επικεντρώθηκε σε μεμονωμένες κυψέλες ιόντων λιθίου, οι οποίες γενικά δεν χάνουν τη χωρητικότητα φόρτισης τόσο γρήγορα όσο οι γεμάτες μπαταρίες.

Η Onori και δύο ερευνητές στο εργαστήριό της – ο μεταδιδακτορικός υπότροφος Vahid Azimi και ο διδακτορικός φοιτητής Anirudh Allam – αποφάσισαν να διερευνήσουν πώς η εφευρετική διαχείριση των υπαρχόντων τύπων μπαταριών θα μπορούσε να βελτιώσει την απόδοση και τη διάρκεια ζωής μιας πλήρους μπαταρίας, η οποία μπορεί να περιέχει εκατοντάδες ή χιλιάδες κύτταρα .

Ένα μοντέλο μπαταρίας υψηλής πιστότητας

Ως πρώτο βήμα, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο υπολογιστή υψηλής πιστότητας συμπεριφοράς της μπαταρίας που αντιπροσώπευε με ακρίβεια τις φυσικές και χημικές αλλαγές που λαμβάνουν χώρα μέσα σε μια μπαταρία κατά τη διάρκεια της λειτουργικής ζωής της.Μερικές από αυτές τις αλλαγές ξεδιπλώνονται σε λίγα δευτερόλεπτα ή λεπτά – άλλες σε μήνες ή και χρόνια.

«Από όσο γνωρίζουμε, καμία προηγούμενη μελέτη δεν είχε χρησιμοποιήσει το είδος του μοντέλου μπαταρίας υψηλής πιστότητας, πολλαπλής κλίμακας που δημιουργήσαμε», δήλωσε ο Onori, ο οποίος είναι διευθυντής του Stanford Energy Control Lab.

Οι προσομοιώσεις λειτουργίας με το μοντέλο πρότειναν ότι ένα σύγχρονο πακέτο μπαταριών μπορεί να βελτιστοποιηθεί και να ελεγχθεί, αγκαλιάζοντας τις διαφορές μεταξύ των στοιχείων που το αποτελούν.Ο Onori και οι συνεργάτες του οραματίζονται το μοντέλο τους να χρησιμοποιείται για την καθοδήγηση της ανάπτυξης συστημάτων διαχείρισης μπαταριών τα επόμενα χρόνια, τα οποία μπορούν εύκολα να αναπτυχθούν σε υπάρχοντα σχέδια οχημάτων.

Δεν είναι μόνο τα ηλεκτρικά οχήματα που ωφελούνται.Ουσιαστικά οποιαδήποτε εφαρμογή που «τονίζει πολύ το πακέτο μπαταριών» θα μπορούσε να είναι καλή υποψήφια για καλύτερη διαχείριση ενημερωμένη από τα νέα αποτελέσματα, είπε ο Onori.Ένα παράδειγμα;Αεροσκάφη τύπου drone με ηλεκτρική κατακόρυφη απογείωση και προσγείωση, που μερικές φορές ονομάζονται eVTOL, τα οποία ορισμένοι επιχειρηματίες αναμένουν να λειτουργήσουν ως αεροταξί και να παρέχουν άλλες υπηρεσίες αστικής αεροπορικής κινητικότητας την επόμενη δεκαετία.Ωστόσο, υπάρχουν και άλλες εφαρμογές για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου, συμπεριλαμβανομένης της γενικής αεροπορίας και της αποθήκευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας σε μεγάλη κλίμακα.

«Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν ήδη αλλάξει τον κόσμο με πολλούς τρόπους», είπε ο Onori.«Είναι σημαντικό να πάρουμε όσο το δυνατόν περισσότερα από αυτή τη μετασχηματιστική τεχνολογία και τους διαδόχους της που έρχονται».