Die geheim van 'n lang lewensduur vir herlaaibare batterye lê dalk in 'n omhelsing van verskil. Nuwe modellering van hoe litiumioon-selle in 'n pak afbreek, toon 'n manier om laai aan te pas by elke sel se kapasiteit sodat EV-batterye meer laaisiklusse kan hanteer en mislukking kan voorkom.

Die navorsing, gepubliseer op 5 November inIEEE-transaksies oor beheerstelseltegnologie, toon hoe die aktiewe bestuur van die hoeveelheid elektriese stroom wat na elke sel in 'n pak vloei, eerder as om lading eenvormig te lewer, slytasie kan verminder. Die benadering laat elke sel effektief toe om sy beste – en langste – lewensduur te lei.

Volgens Stanford-professor en senior studie-outeur Simona Onori, dui aanvanklike simulasies daarop dat batterye wat met die nuwe tegnologie bestuur word, ten minste 20% meer laai-ontlaai-siklusse kan hanteer, selfs met gereelde vinnige laai, wat ekstra druk op die battery plaas.

Die meeste vorige pogings om die lewensduur van elektriese motorbatterye te verleng, het gefokus op die verbetering van die ontwerp, materiale en vervaardiging van enkelselle, gebaseer op die uitgangspunt dat, soos skakels in 'n ketting, 'n batterypak net so goed is soos sy swakste sel. Die nuwe studie begin met 'n begrip dat hoewel swak skakels onvermydelik is – as gevolg van vervaardigingsonvolmaakthede en omdat sommige selle vinniger as ander afbreek soos hulle aan spanning soos hitte blootgestel word – hulle nie die hele pak hoef af te breek nie. Die sleutel is om laaitempo's aan te pas by die unieke kapasiteit van elke sel om mislukking te voorkom.

“Indien dit nie behoorlik aangepak word nie, kan sel-tot-sel heterogeniteite die lewensduur, gesondheid en veiligheid van 'n batterypak in gevaar stel en 'n vroeë batterypakwanfunksie veroorsaak,” sê Onori, 'n assistent-professor in energiewetenskap-ingenieurswese aan die Stanford Doerr Skool vir Volhoubaarheid. “Ons benadering maak die energie in elke sel in die pak gelyk, wat alle selle op 'n gebalanseerde wyse na die finale geteikende ladingstoestand bring en die lewensduur van die pak verbeter.”

Geïnspireer om 'n miljoenmyl-battery te bou

'n Deel van die dryfkrag vir die nuwe navorsing kan teruggevoer word na 'n aankondiging in 2020 deur Tesla, die elektriese motormaatskappy, oor werk aan 'n "miljoen-myl-battery". Dit sou 'n battery wees wat 'n motor vir 1 miljoen myl of meer (met gereelde laai) kan aandryf voordat dit die punt bereik waar, soos die litium-ioonbattery in 'n ou foon of skootrekenaar, die elektriese voertuig se battery te min lading hou om funksioneel te wees.

So 'n battery sou motorvervaardigers se tipiese waarborg vir elektriese voertuigbatterye van agt jaar of 100 000 myl oorskry. Alhoewel batterypakke gereeld hul waarborg oorskry, kan verbruikersvertroue in elektriese voertuie versterk word as duur batteryvervangings nog skaarser word. 'n Battery wat steeds 'n lading kan hou na duisende herlaaie, kan ook die weg baan vir die elektrifisering van langafstandvragmotors, en vir die aanvaarding van sogenaamde voertuig-tot-netwerkstelsels, waarin EV-batterye hernubare energie vir die kragnetwerk sal stoor en versend.

“Daar is later verduidelik dat die miljoen-myl-batterykonsep nie regtig 'n nuwe chemie was nie, maar net 'n manier om die battery te laat werk deur dit nie die volle laaibereik te laat gebruik nie,” het Onori gesê. Verwante navorsing het gefokus op enkel-litiumioon-selle, wat oor die algemeen nie laaikapasiteit so vinnig verloor soos vol batterypakke nie.

Onori en twee navorsers in haar laboratorium – die postdoktorale geleerde Vahid Azimi en die PhD-student Anirudh Allam – was nuuskierig en het besluit om te ondersoek hoe vindingryke bestuur van bestaande batterytipes die werkverrigting en lewensduur van 'n volle batterypak, wat honderde of duisende selle kan bevat, kan verbeter.

'n Hoë-trou batterymodel

As 'n eerste stap het die navorsers 'n hoë-getrouheid rekenaarmodel van batterygedrag geskep wat die fisiese en chemiese veranderinge wat binne 'n battery plaasvind gedurende sy operasionele leeftyd akkuraat verteenwoordig. Sommige van hierdie veranderinge ontvou binne 'n kwessie van sekondes of minute - ander oor maande of selfs jare.

"Na ons beste wete het geen vorige studie die soort hoë-trou, multi-tydskaal batterymodel gebruik wat ons geskep het nie," het Onori, direkteur van die Stanford Energy Control Lab, gesê.

Deur simulasies met die model uit te voer, is dit duidelik dat 'n moderne batterypak geoptimaliseer en beheer kan word deur verskille tussen die samestellende selle in ag te neem. Onori en kollegas voorsien dat hul model in die komende jare gebruik sal word om die ontwikkeling van batterybestuurstelsels te lei wat maklik in bestaande voertuigontwerpe ontplooi kan word.

Dit is nie net elektriese voertuie wat daarby kan baat nie. Feitlik enige toepassing wat "die batterypak baie beklemtoon" kan 'n goeie kandidaat wees vir beter bestuur, ingelig deur die nuwe resultate, het Onori gesê. Een voorbeeld? Dronkagtige vliegtuie met elektriese vertikale opstyg en landing, soms eVTOL genoem, wat sommige entrepreneurs verwag om as lugtaxi's te werk en ander stedelike lugmobiliteitsdienste oor die volgende dekade te verskaf. Tog lok ander toepassings vir herlaaibare litiumioonbatterye, insluitend algemene lugvaart en grootskaalse berging van hernubare energie.

“Litium-ioonbatterye het die wêreld reeds op soveel maniere verander,” het Onori gesê. “Dis belangrik dat ons soveel as moontlik uit hierdie transformerende tegnologie en sy opvolgers kry.”