Hemmeligheden bag genopladelige batteriers lange levetid kan ligge i en forståelse af forskellighed. Ny modellering af, hvordan lithium-ion-celler i en pakke nedbrydes, viser en måde at skræddersy opladning til hver celles kapacitet, så elbilsbatterier kan håndtere flere opladningscyklusser og forhindre fejl.

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

Ifølge Stanford-professor og seniorforfatter til studiet, Simona Onori, tyder indledende simuleringer på, at batterier, der administreres med den nye teknologi, kan håndtere mindst 20 % flere opladnings- og afladningscyklusser, selv med hyppig hurtigopladning, hvilket belaster batteriet ekstra.

De fleste tidligere bestræbelser på at forlænge levetiden for elbilbatterier har fokuseret på at forbedre design, materialer og fremstilling af enkeltceller, baseret på den præmis, 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, når de udsættes for belastninger som varme – behøver de ikke at ødelægge hele pakken. Nøglen er at skræddersy opladningshastigheder til den unikke kapacitet i hver celle for at afværge fejl.

"Hvis det ikke håndteres ordentligt, kan celle-til-celle-heterogeniteter kompromittere en batteripakkes levetid, sundhed og sikkerhed og forårsage en tidlig funktionsfejl i batteripakken," sagde Onori, der er adjunkt 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 opladningstilstand på en afbalanceret måde og forbedrer pakkens levetid."

Inspireret til at bygge et batteri, der rækker til en million kilometer

En del af drivkraften bag den nye forskning kan spores tilbage til en annoncering fra elbilproducenten Tesla i 2020 om arbejde på et "million-mile-batteri". Dette ville være et batteri, der kan drive en bil i 1 million miles eller mere (med regelmæssig opladning), før det når et punkt, hvor elbilens batteri, ligesom lithium-ion-batteriet i en gammel telefon eller bærbar computer, har for lidt opladning til at være funktionelt.

Et sådant batteri ville overstige bilproducenternes typiske garanti for elbilbatterier på otte år eller 160.000 km. Selvom batteripakker rutinemæssigt holder længere end deres garanti, kunne forbrugernes tillid til elbiler styrkes, hvis dyre udskiftninger af batteripakker blev endnu sjældnere. Et batteri, der stadig kan holde en opladning efter tusindvis af opladninger, kunne også bane vejen for elektrificering af langdistancelastbiler og for indførelsen af ​​såkaldte vehicle-to-grid-systemer, hvor elbilbatterier ville lagre og afgive vedvarende energi til elnettet.

"Det blev senere forklaret, at konceptet med million-miles-batterier ikke rigtigt var en ny kemi, men blot en måde at drive batteriet på ved ikke at lade det bruge hele opladningsområdet," sagde Onori. Relateret forskning har fokuseret på enkelte lithium-ion-celler, som generelt ikke mister opladningskapacitet så hurtigt som fulde batteripakker.

Onori og to forskere i hendes laboratorium – postdoc Vahid Azimi og ph.d.-studerende Anirudh Allam – blev nysgerrige og besluttede at undersøge, hvordan opfindsom håndtering af eksisterende batterityper kunne forbedre ydeevnen og levetiden for en fuld batteripakke, som kan indeholde hundredvis eller tusindvis af celler.

En model med høj kvalitetsbatteri

Som et første skridt udviklede forskerne en computermodel af batteriers adfærd, der præcist repræsenterede de fysiske og kemiske ændringer, der finder sted inde i et batteri i løbet af dets levetid. Nogle af disse ændringer udfolder sig i løbet af sekunder eller minutter – andre over måneder eller endda år.

"Så vidt vi ved, har ingen tidligere undersøgelse brugt den slags højkvalitetsbatterimodel med flere tidsskalaer, som vi har skabt," sagde Onori, der er direktør for Stanford Energy Control Lab.

Simuleringer med modellen tydede på, at en moderne batteripakke kan optimeres og styres ved at tage højde for forskellene mellem dens bestanddele. Onori og kolleger forestiller sig, at deres model vil blive brugt til at guide udviklingen af ​​batteristyringssystemer i de kommende år, som nemt kan implementeres i eksisterende køretøjsdesign.

Det er ikke kun elbiler, der vil drage fordel af det. Stort set enhver applikation, der "belaster batteripakken meget", kunne være en god kandidat til bedre styring baseret på de nye resultater, sagde Onori. Et eksempel? Dronelignende fly med elektrisk vertikal start og landing, undertiden kaldet eVTOL, som nogle iværksættere forventer vil fungere som lufttaxier og levere andre bymæssige luftmobilitetstjenester i løbet af det næste årti. Alligevel lokker andre anvendelser af genopladelige lithium-ion-batterier, herunder generel 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 muligt ud af denne transformative teknologi og dens kommende efterfølgere."