Το μυστικό της μεγάλης διάρκειας ζωής των επαναφορτιζόμενων μπαταριών μπορεί να κρύβεται στην αποδοχή της διαφορετικότητας. Νέα μοντελοποίηση του τρόπου με τον οποίο υποβαθμίζονται οι κυψέλες ιόντων λιθίου σε μια συστοιχία δείχνει έναν τρόπο προσαρμογής της φόρτισης στην χωρητικότητα κάθε κυψέλης, ώστε οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων να μπορούν να χειρίζονται περισσότερους κύκλους φόρτισης και να αποτρέπουν την αποτυχία.

Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στις 5 Νοεμβρίου στοΣυναλλαγές IEEE για την Τεχνολογία Συστημάτων Ελέγχου, δείχνει πώς η ενεργή διαχείριση της ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος που ρέει σε κάθε κελί σε μια συστοιχία, αντί της ομοιόμορφης παροχής φορτίου, μπορεί να ελαχιστοποιήσει τη φθορά. Η προσέγγιση επιτρέπει αποτελεσματικά σε κάθε κελί να ζήσει την καλύτερη - και μεγαλύτερη - διάρκεια ζωής του.

Σύμφωνα με την καθηγήτρια του Στάνφορντ και επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης, Σιμόνα Ονόρι, οι αρχικές προσομοιώσεις υποδηλώνουν 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 την παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας των ηλεκτρικών αυτοκινήτων είχαν επικεντρωθεί στη βελτίωση του σχεδιασμού, των υλικών και της κατασκευής μεμονωμένων στοιχείων, βασιζόμενες στην υπόθεση ότι, όπως οι κρίκοι σε μια αλυσίδα, μια μπαταρία είναι τόσο καλή όσο το πιο αδύναμο στοιχείο της. Η νέα μελέτη ξεκινά με την κατανόηση ότι ενώ οι αδύναμοι κρίκοι είναι αναπόφευκτοι - λόγω κατασκευαστικών ατελειών και επειδή ορισμένα στοιχεία φθείρονται ταχύτερα από άλλα καθώς εκτίθενται σε καταπονήσεις όπως η θερμότητα - δεν χρειάζεται να καταστρέφουν ολόκληρη τη μπαταρία. Το κλειδί είναι να προσαρμοστούν οι ρυθμοί φόρτισης στη μοναδική ικανότητα κάθε στοιχείου να αποτρέπει την αποτυχία.

«Εάν δεν αντιμετωπιστούν σωστά, οι ετερογένειες μεταξύ των κελιών μπορούν να θέσουν σε κίνδυνο τη μακροζωία, την υγεία και την ασφάλεια μιας μπαταρίας και να προκαλέσουν μια πρώιμη δυσλειτουργία της μπαταρίας», δήλωσε ο Onori, ο οποίος είναι επίκουρος καθηγητής μηχανικής ενεργειακής επιστήμης στη Σχολή Βιωσιμότητας Stanford Doerr. «Η προσέγγισή μας εξισορροπεί την ενέργεια σε κάθε κελί της μπαταρίας, φέρνοντας όλα τα κελιά στην τελική στοχευμένη κατάσταση φόρτισης με ισορροπημένο τρόπο και βελτιώνοντας τη μακροζωία της μπαταρίας».

Εμπνευσμένο για την κατασκευή μιας μπαταρίας εκατομμυρίου μιλίων

Μέρος της ώθησης για τη νέα έρευνα ανάγεται σε μια ανακοίνωση του 2020 από την Tesla, την εταιρεία ηλεκτρικών αυτοκινήτων, για την ανάπτυξη μιας «μπαταρίας εκατομμυρίου μιλίων». Αυτή θα ήταν μια μπαταρία ικανή να τροφοδοτήσει ένα αυτοκίνητο για 1 εκατομμύριο μίλια ή περισσότερο (με τακτική φόρτιση) πριν φτάσει στο σημείο όπου, όπως η μπαταρία ιόντων λιθίου σε ένα παλιό τηλέφωνο ή φορητό υπολογιστή, η μπαταρία του ηλεκτρικού οχήματος διατηρεί πολύ λίγο φορτίο για να είναι λειτουργική.

Μια τέτοια μπαταρία θα ξεπερνούσε την τυπική εγγύηση των αυτοκινητοβιομηχανιών για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων, η οποία είναι οκτώ χρόνια ή 160.000 χιλιόμετρα. Αν και οι μπαταρίες συνήθως υπερβαίνουν την εγγύησή τους, η εμπιστοσύνη των καταναλωτών στα ηλεκτρικά οχήματα θα μπορούσε να ενισχυθεί εάν οι ακριβές αντικαταστάσεις μπαταριών γίνονταν ακόμη πιο σπάνιες. Μια μπαταρία που μπορεί να διατηρεί τη φόρτιση μετά από χιλιάδες επαναφορτίσεις θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει τον δρόμο για την ηλεκτροκίνηση των φορτηγών μεγάλων αποστάσεων και για την υιοθέτηση των λεγόμενων συστημάτων οχήματος-δικτύου, στα οποία οι μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων θα αποθηκεύουν και θα αποστέλλουν ανανεώσιμη ενέργεια για το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας.

«Αργότερα εξηγήθηκε ότι η ιδέα της μπαταρίας ενός εκατομμυρίου μιλίων δεν ήταν στην πραγματικότητα μια νέα χημεία, αλλά απλώς ένας τρόπος λειτουργίας της μπαταρίας χωρίς να την υποχρεώνουν να χρησιμοποιεί το πλήρες εύρος φόρτισης», δήλωσε ο Onori. Σχετική έρευνα έχει επικεντρωθεί σε μεμονωμένα στοιχεία ιόντων λιθίου, τα οποία γενικά δεν χάνουν την χωρητικότητα φόρτισης τόσο γρήγορα όσο οι πλήρεις μπαταρίες.

Γεμάτη περιέργεια, η Onori και δύο ερευνητές στο εργαστήριό της - ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Vahid Azimi και ο διδακτορικός φοιτητής Anirudh Allam - αποφάσισαν να διερευνήσουν πώς η καινοτόμος 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 στοιχεία.

Ένα μοντέλο μπαταρίας υψηλής πιστότητας

Ως πρώτο βήμα, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υψηλής πιστότητας υπολογιστικό μοντέλο συμπεριφοράς μπαταρίας που απεικόνιζε με ακρίβεια τις φυσικές και χημικές αλλαγές που συμβαίνουν στο εσωτερικό μιας μπαταρίας κατά τη διάρκεια της λειτουργικής της ζωής. Ορισμένες από αυτές τις αλλαγές εκτυλίσσονται σε λίγα δευτερόλεπτα ή λεπτά - άλλες σε διάστημα μηνών ή και ετών.

«Από όσο γνωρίζουμε, καμία προηγούμενη μελέτη δεν έχει χρησιμοποιήσει το είδος του μοντέλου μπαταρίας υψηλής πιστότητας, πολλαπλών χρονικών διαστάσεων που δημιουργήσαμε», δήλωσε ο Onori, διευθυντής του Εργαστηρίου Ελέγχου Ενέργειας του Στάνφορντ.

Η εκτέλεση προσομοιώσεων με το μοντέλο υπέδειξε ότι μια σύγχρονη μπαταρία μπορεί να βελτιστοποιηθεί και να ελεγχθεί υιοθετώντας τις διαφορές μεταξύ των συστατικών στοιχείων της. Ο Onori και οι συνεργάτες του οραματίζονται ότι το μοντέλο τους θα χρησιμοποιηθεί για να καθοδηγήσει την ανάπτυξη συστημάτων διαχείρισης μπαταριών τα επόμενα χρόνια, τα οποία μπορούν εύκολα να εφαρμοστούν σε υπάρχοντα σχέδια οχημάτων.

Δεν είναι μόνο τα ηλεκτρικά οχήματα που θα επωφεληθούν. Σχεδόν κάθε εφαρμογή που «καταπονεί πολύ την μπαταρία» θα μπορούσε να είναι ένας καλός υποψήφιος για καλύτερη διαχείριση, σύμφωνα με τα νέα αποτελέσματα, δήλωσε ο Onori. Ένα παράδειγμα; Αεροσκάφη τύπου drone με ηλεκτρική κάθετη 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, άλλες εφαρμογές για επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου καλούν, συμπεριλαμβανομένης της γενικής αεροπορίας και της μεγάλης κλίμακας αποθήκευσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

«Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν ήδη αλλάξει τον κόσμο με τόσους πολλούς τρόπους», δήλωσε ο Onori. «Είναι σημαντικό να αξιοποιήσουμε όσο το δυνατόν περισσότερο αυτήν την μετασχηματιστική τεχνολογία και τους επόμενους διαδόχους της».