Hemmeligheten bak lang levetid for oppladbare batterier kan ligge i en omfavnelse av forskjellighet. Ny modellering av hvordan litiumionceller i en pakke brytes ned viser en måte å skreddersy lading til hver celles kapasitet, slik at elbilbatterier kan håndtere flere ladesykluser og forhindre feil.

Forskningen, publisert 5. november iIEEE-transaksjoner om kontrollsystemteknologi, viser hvordan det å aktivt styre mengden elektrisk strøm som flyter til hver celle i en pakke, i stedet for å levere ladning jevnt, kan minimere slitasje. Tilnærmingen lar effektivt hver celle leve sitt beste – og lengste – liv.

Ifølge Stanford-professor og seniorforfatter av studien, Simona Onori, tyder innledende simuleringer på at batterier som administreres med den nye teknologien kan håndtere minst 20 % flere lade- og utladingssykluser, selv med hyppig hurtiglading, noe som legger ekstra belastning på batteriet.

De fleste tidligere forsøk på å forlenge levetiden til elbilbatterier har fokusert på å forbedre design, materialer og produksjon av enkeltceller, basert på premisset om at en batteripakke, som ledd i en kjede, bare er så god som den svakeste cellen. Den nye studien starter med en forståelse av at selv om svake ledd er uunngåelige – på grunn av produksjonsfeil og fordi noen celler brytes ned raskere enn andre når de utsettes for belastninger som varme – trenger de ikke å rive ned hele pakken. Nøkkelen er å skreddersy ladehastighetene til den unike kapasiteten til hver celle for å avverge feil.

«Hvis det ikke håndteres riktig, kan celle-til-celle-heterogeniteter kompromittere levetiden, helsen og sikkerheten til en batteripakke og føre til tidlig funksjonsfeil i batteripakken», sa Onori, som er assisterende professor i energivitenskapsteknikk ved Stanford Doerr School of Sustainability. «Vår tilnærming utjevner energien i hver celle i pakken, bringer alle celler til den endelige målrettede ladetilstanden på en balansert måte og forbedrer pakkens levetid.»

Inspirert til å bygge et batteri som varer en million kilometer

Noe av drivkraften bak den nye forskningen kan spores tilbake til en kunngjøring fra elbilprodusenten Tesla i 2020 om arbeid med et «million-mile-batteri». Dette ville være et batteri som kan drive en bil i 1 million miles eller mer (med vanlig lading) før det når punktet hvor, som litiumionbatteriet i en gammel telefon eller bærbar PC, elbilens batteri har for lite lading til å være funksjonelt.

Et slikt batteri ville overgå bilprodusentenes typiske garanti for elbilbatterier på åtte år eller 160 000 kilometer. Selv om batteripakker rutinemessig varer lenger enn garantien, kan forbrukernes tillit til elbiler styrkes dersom dyre batteripakkeutskiftninger blir enda sjeldnere. Et batteri som fortsatt kan holde på ladningen etter tusenvis av ladinger, kan også bane vei for elektrifisering av langdistanselastebiler og for adopsjon av såkalte kjøretøy-til-nett-systemer, der elbilbatterier ville lagre og sende fornybar energi til strømnettet.

«Det ble senere forklart at konseptet med million-mile-batterier egentlig ikke var en ny kjemi, men bare en måte å drive batteriet på ved å ikke la det bruke hele ladeområdet», sa Onori. Relatert forskning har fokusert på enkeltstående litiumionceller, som vanligvis ikke mister ladekapasitet like raskt som fulle batteripakker.

Onori og to forskere i laboratoriet hennes – postdoktor Vahid Azimi og doktorgradsstudent Anirudh Allam – ble nysgjerrige og bestemte seg for å undersøke hvordan oppfinnsom håndtering av eksisterende batterityper kunne forbedre ytelsen og levetiden til en full batteripakke, som kan inneholde hundrevis eller tusenvis av celler.

En batterimodell med høy kvalitet

Som et første steg laget forskerne en høykvalitets datamodell av batterioppførsel som nøyaktig representerte de fysiske og kjemiske endringene som skjer inne i et batteri i løpet av dets levetid. Noen av disse endringene utspiller seg i løpet av sekunder eller minutter – andre over måneder eller til og med år.

«Så vidt vi vet har ingen tidligere studier brukt den typen høykvalitets batterimodell med flere tidsskalaer som vi har laget», sa Onori, som er direktør for Stanford Energy Control Lab.

Simuleringer med modellen tydet på at en moderne batteripakke kan optimaliseres og kontrolleres ved å ta hensyn til forskjeller mellom cellene i dens bestanddeler. Onori og kollegene ser for seg at modellen deres vil bli brukt til å veilede utviklingen av batteristyringssystemer i de kommende årene, som enkelt kan implementeres i eksisterende kjøretøydesign.

Det er ikke bare elektriske kjøretøy som vil dra nytte av dette. Så å si alle bruksområder som «belaster batteripakken mye» kan være en god kandidat for bedre styring basert på de nye resultatene, sa Onori. Et eksempel? Dronelignende fly med elektrisk vertikal start og landing, noen ganger kalt eVTOL, som noen gründere forventer vil fungere som lufttaxier og tilby andre urbane luftmobilitetstjenester i løpet av det neste tiåret. Likevel lokker andre bruksområder for oppladbare litiumionbatterier, inkludert generell luftfart og storskala lagring av fornybar energi.

«Litiumionbatterier har allerede forandret verden på så mange måter», sa Onori. «Det er viktig at vi får så mye som mulig ut av denne transformative teknologien og dens etterfølgere.»