Hemmeligheten bak lang levetid for oppladbare batterier kan ligge i en omfavnelse av forskjell.Ny modellering av hvordan litium-ion-celler i en pakke brytes ned viser en måte å skreddersy lading til hver celles kapasitet, slik at EV-batterier kan håndtere flere ladesykluser og avverge feil.

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

I følge Stanford-professor og seniorstudieforfatter Simona Onori antyder første simuleringer at batterier administrert med den nye teknologien kan håndtere minst 20 % flere lade-utladingssykluser, selv med hyppig hurtiglading, noe som gir ekstra belastning på batteriet.

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

"Hvis de ikke håndteres riktig, kan celle-til-celle-heterogeniteter kompromittere levetiden, helsen og sikkerheten til en batteripakke og indusere en tidlig batteripakkefeil," sa Onori, som er assisterende professor i energivitenskap ved Stanford Doerr School of Sustainability."Vår tilnærming utjevner energien i hver celle i pakken, og bringer alle cellene til den endelige målsatte ladetilstanden på en balansert måte og forbedrer pakkens levetid."

Inspirert til å bygge et batteri på millioner mil

En del av drivkraften for den nye forskningen spores tilbake til en kunngjøring i 2020 fra Tesla, elbilselskapet, om arbeidet med et "million-mile-batteri."Dette ville være et batteri som er i stand til å drive en bil i 1 million miles eller mer (med vanlig lading) før det når det punktet der, som litium-ion-batteriet i en gammel telefon eller bærbar PC, holder elbilens batteri for lite ladning til å være funksjonelt .

Et slikt batteri vil overstige bilprodusentenes typiske garanti for elektriske kjøretøybatterier på åtte år eller 100 000 miles.Selv om batteripakker rutinemessig varer lenger enn garantien, kan forbrukernes tillit til elektriske kjøretøy bli styrket hvis dyre batteripakker ble sjeldnere.Et batteri som fortsatt kan holde en ladning etter tusenvis av oppladninger kan også lette veien for elektrifisering av langdistanselastebiler, og for bruk av såkalte kjøretøy-til-nett-systemer, der EV-batterier lagrer og sender fornybar energi for strømnettet.

"Det ble senere forklart at million-mile-batterikonseptet egentlig ikke var en ny kjemi, men bare en måte å betjene batteriet på ved ikke å få det til å bruke hele ladeområdet," sa Onori.Relatert forskning har sentrert seg om enkeltlitium-ion-celler, som vanligvis ikke mister ladekapasitet så raskt som fulle batteripakker.

Interessert bestemte Onori og to forskere i laboratoriet hennes – postdoktor Vahid Azimi og PhD-student Anirudh Allam – å undersøke hvordan oppfinnsom styring av eksisterende batterityper kan forbedre ytelsen og levetiden til en full batteripakke, som kan inneholde hundrevis eller tusenvis av celler .

En høykvalitets batterimodell

Som et første trinn laget forskerne en datamodell med høy kvalitet av batteriadferd som nøyaktig representerte de fysiske og kjemiske endringene som finner sted 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, flertidsskala batterimodell vi har laget," sa Onori, som er direktør for Stanford Energy Control Lab.

Å kjøre simuleringer med modellen antydet at en moderne batteripakke kan optimaliseres og kontrolleres ved å omfavne forskjeller mellom dens bestanddeler.Onori og kolleger ser for seg at modellen deres blir brukt til å veilede utviklingen av batteristyringssystemer i de kommende årene som enkelt kan implementeres i eksisterende kjøretøydesign.

Det er ikke bare elbiler som kommer til gode.Praktisk talt enhver applikasjon som "stresser batteripakken mye" kan være en god kandidat for bedre ledelse informert av de nye resultatene, sa Onori.Ett eksempel?Drone-lignende fly med elektrisk vertikal start og landing, noen ganger kalt eVTOL, som noen gründere forventer skal operere som lufttaxier og tilby andre urbane luftmobilitetstjenester i løpet av det neste tiåret.Likevel lokker andre bruksområder for oppladbare litium-ion-batterier, inkludert generell luftfart og storskala lagring av fornybar energi.

"Lithium-ion-batterier 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 som kommer."