Тајна дугог века трајања пуњивих батерија можда лежи у прихватању различитости. Ново моделирање како се литијум-јонске ћелије у пакету разграђују показује начин прилагођавања пуњења капацитету сваке ћелије како би батерије за електрична возила могле да поднесу више циклуса пуњења и спрече квар.

Истраживање, објављено 5. новембра уIEEE трансакције о технологији система управљања, показује како активно управљање количином електричне струје која тече до сваке ћелије у пакету, уместо равномерног испоручивања наелектрисања, може минимизирати хабање. Овај приступ ефикасно омогућава свакој ћелији да живи свој најбољи – и најдужи – век трајања.

Према речима професорке са Станфорда и више ауторке студије Симоне Онори, почетне симулације сугеришу да би батерије управљане новом технологијом могле да поднесу најмање 20% више циклуса пуњења и пражњења, чак и уз често брзо пуњење, што додатно оптерећује батерију.

Већина претходних напора да се продужи век трајања батерије електричних аутомобила фокусирала се на побољшање дизајна, материјала и производње појединачних ћелија, на основу претпоставке да је, попут карика у ланцу, батеријски пакет добар колико и његова најслабија ћелија. Нова студија почиње са разумевањем да, иако су слабе карике неизбежне – због несавршености у производњи и зато што се неке ћелије брже деградирају од других јер су изложене напрезањима попут топлоте – оне не морају да униште цео пакет. Кључ је прилагодити брзине пуњења јединственом капацитету сваке ћелије како би се спречио квар.

„Ако се правилно не реше, хетерогености између ћелија могу угрозити дуговечност, здравље и безбедност батеријског пакета и изазвати рани квар батеријског пакета“, рекао је Онори, који је ванредни професор енергетског инжењерства на Станфорд Доер школи за одрживост. „Наш приступ изједначава енергију у свакој ћелији у пакету, доводећи све ћелије до коначног циљаног стања напуњености на уравнотежен начин и побољшавајући дуговечност пакета.“

Инспирисано за изградњу батерије од милион миља

Део подстицаја за ново истраживање сеже до објаве компаније Тесла, компаније за електричне аутомобиле, из 2020. године о раду на „батерији од милион миља“. То би била батерија способна да напаја аутомобил милион миља или више (уз редовно пуњење) пре него што достигне тачку у којој, попут литијум-јонске батерије у старом телефону или лаптопу, батерија електричног возила држи премало напуњености да би била функционална.

Таква батерија би премашила типичну гаранцију произвођача аутомобила за батерије електричних возила од осам година или 160.000 километара. Иако батеријски пакети рутински трају дуже од своје гаранције, поверење потрошача у електрична возила могло би се ојачати ако би скупе замене батеријских пакета постале још ређе. Батерија која и даље може да држи напуњеност након хиљада пуњења такође би могла да олакша пут електрификацији камиона за дуге релације и усвајању такозваних система „возило-мрежа“, у којима би батерије за електрична возила складиштиле и слале обновљиву енергију за електроенергетску мрежу.

„Касније је објашњено да концепт батерије са животним веком од милион миља није заправо био нова хемија, већ само начин рада батерије тако што се не користи пуни опсег пуњења“, рекао је Онори. Сродна истраживања су се усмерила на појединачне литијум-јонске ћелије, које генерално не губе капацитет пуњења тако брзо као пуни батеријски пакети.

Заинтригирана, Онори и два истраживача у њеној лабораторији - постдокторски научник Вахид Азими и докторант Анируд Алам - одлучили су да истраже како би инвентивно управљање постојећим типовима батерија могло побољшати перформансе и век трајања пуне батерије, која може садржати стотине или хиљаде ћелија.

Модел висококвалитетне батерије

Као први корак, истраживачи су направили високоверни компјутерски модел понашања батерије који је прецизно представљао физичке и хемијске промене које се дешавају унутар батерије током њеног радног века. Неке од ових промена се одвијају за неколико секунди или минута – друге током месеци или чак година.

„Колико нам је познато, ниједна претходна студија није користила овакав висококвалитетни, вишевременски модел батерије који смо креирали“, рекао је Онори, који је директор Станфордске лабораторије за контролу енергије.

Покретање симулација са моделом сугерише да се модерни батеријски пакет може оптимизовати и контролисати прихватањем разлика међу његовим саставним ћелијама. Онори и колеге предвиђају да ће се њихов модел користити за вођење развоја система за управљање батеријама у наредним годинама, који се могу лако применити у постојећим дизајнима возила.

Нису само електрична возила та која би могла имати користи. Практично свака примена која „много оптерећује батеријски пакет“ могла би бити добар кандидат за боље управљање засновано на новим резултатима, рекао је Онори. Један пример? Летелице сличне дрону са електричним вертикалним полетањем и слетањем, понекад назване eVTOL, за које неки предузетници очекују да ће користити као ваздушни таксији и пружати друге услуге градске ваздушне мобилности током наредне деценије. Ипак, позивају на друге примене за пуњиве литијум-јонске батерије, укључујући општу авијацију и складиштење обновљиве енергије великих размера.

„Литијум-јонске батерије су већ промениле свет на толико много начина“, рекао је Онори. „Важно је да извучемо што је више могуће из ове трансформативне технологије и њених наследника који долазе.“