Hemmeligheden bag lang levetid for genopladelige batterier kan ligge i en omfavnelse af forskellighed.Ny modellering af, hvordan lithium-ion-celler i en pakke nedbrydes, viser en måde at skræddersy opladning til hver celles kapacitet, så EV-batterier kan håndtere flere opladningscyklusser og afværge fejl.

Forskningen, offentliggjort 5. november iIEEE-transaktioner på kontrolsystemteknologi, viser, hvordan aktiv styring af mængden af ​​elektrisk strøm, der flyder til hver celle i en pakke, i stedet for at levere ensartet ladning, kan minimere slid.Tilgangen giver effektivt hver celle mulighed for at leve sit bedste – og længste – liv.

Ifølge Stanford-professor og seniorstudieforfatter Simona Onori tyder de første simuleringer på, at batterier, der styres med den nye teknologi, kan klare mindst 20 % flere opladnings-afladningscyklusser, selv med hyppig hurtigopladning, hvilket belaster batteriet ekstra.

De fleste tidligere bestræbelser på at forlænge batterilevetiden til elbiler har fokuseret på at forbedre design, materialer og fremstilling af enkeltceller, baseret på den forudsætning, at en batteripakke, ligesom led i en kæde, kun er så god som dens svageste celle.Den nye undersøgelse begynder med en forståelse af, at selvom svage led er uundgåelige – på grund af produktionsfejl, og fordi nogle celler nedbrydes hurtigere end andre, da de udsættes for belastninger som varme – behøver de ikke at nedbryde hele pakken.Nøglen er at skræddersy opladningshastighederne til hver celles unikke kapacitet for at afværge fejl.

"Hvis de ikke håndteres ordentligt, kan celle-til-celle heterogeniteter kompromittere levetiden, sundheden og sikkerheden af ​​en batteripakke og inducere en tidlig batteripakkefejl," sagde Onori, der er assisterende professor i energividenskab ved Stanford Doerr School of Sustainability."Vores tilgang udligner energien i hver celle i pakken, hvilket bringer alle celler til den endelige målrettede ladningstilstand på en afbalanceret måde og forbedrer pakkens levetid."

Inspireret til at bygge et million-mile-batteri

En del af drivkraften til den nye forskning spores tilbage til en 2020-meddelelse fra Tesla, elbilfirmaet, om arbejdet med et "million-mile-batteri."Dette ville være et batteri, der er i stand til at drive en bil i 1 million miles eller mere (med almindelig opladning), før det når det punkt, hvor elbilens batteri, ligesom lithium-ion-batteriet i en gammel telefon eller bærbar computer, holder for lidt opladning til at være funktionelt .

Et sådant batteri ville overstige bilproducenternes typiske garanti for elbilbatterier på otte år eller 100.000 miles.Selvom batteripakker rutinemæssigt holder længere end deres garanti, kan forbrugernes tillid til elektriske køretøjer blive styrket, hvis dyre batteripakker stadig bliver sjældnere.Et batteri, der stadig kan holde en opladning efter tusindvis af genopladninger, kunne også lette vejen for elektrificering af langdistancelastbiler og for indførelse af såkaldte køretøj-til-net-systemer, hvor EV-batterier lagrer og sender vedvarende energi til elnettet.

"Det blev senere forklaret, at batterikonceptet for million-mile ikke egentlig var en ny kemi, men bare en måde at betjene batteriet på ved ikke at få det til at bruge hele opladningsområdet," sagde Onori.Relateret forskning har koncentreret sig om enkelte lithium-ion-celler, som generelt ikke mister opladningskapacitet så hurtigt, som fulde batteripakker gør.

Spændte besluttede Onori og to forskere i hendes laboratorium - postdoc Vahid Azimi og ph.d.-studerende Anirudh Allam - at undersøge, hvordan opfindsom styring af eksisterende batterityper kunne forbedre ydeevnen og levetiden for en fuld batteripakke, som kan indeholde hundreder eller tusinder af celler .

En high-fidelity batterimodel

Som et første skridt udformede forskerne en high-fidelity computermodel af batteriadfærd, der nøjagtigt repræsenterede de fysiske og kemiske ændringer, der finder sted inde i et batteri i løbet af dets driftslevetid.Nogle af disse ændringer udfolder sig i løbet af få sekunder eller minutter – andre over måneder eller endda år.

"Så vidt vi ved, har ingen tidligere undersøgelser brugt den slags high-fidelity, multi-timescale batterimodel, vi har skabt," sagde Onori, som er direktør for Stanford Energy Control Lab.

Kørsel af simuleringer med modellen antydede, at en moderne batteripakke kan optimeres og kontrolleres ved at omfavne forskelle mellem dens bestanddele.Onori og kolleger forestiller sig, at deres model bliver brugt til at guide udviklingen af ​​batteristyringssystemer i de kommende år, som nemt kan implementeres i eksisterende køretøjsdesign.

Det er ikke kun elbiler, der kommer til gavn.Stort set enhver applikation, der "stresser batteripakken meget" kunne være en god kandidat til bedre ledelse informeret af de nye resultater, sagde Onori.Et eksempel?Drone-lignende fly med elektrisk lodret start og landing, nogle gange kaldet eVTOL, som nogle iværksættere forventer vil operere som lufttaxier og levere andre byluftmobilitetstjenester i løbet af det næste årti.Alligevel lokker andre applikationer til genopladelige lithium-ion-batterier, herunder almen luftfart og storstilet lagring af vedvarende energi.

"Lithium-ion-batterier har allerede ændret verden på så mange måder," sagde Onori."Det er vigtigt, at vi får så meget, som vi overhovedet kan, ud af denne transformative teknologi og dens efterfølgere."