Secretul duratei lungi de viață a bateriilor reîncărcabile ar putea consta în îmbrățișarea diferenței. Noile modelări ale modului în care celulele litiu-ion dintr-un pachet se degradează arată o modalitate de a adapta încărcarea la capacitatea fiecărei celule, astfel încât bateriile vehiculelor electrice să poată gestiona mai multe cicluri de încărcare și să evite defecțiunile.

Cercetarea, publicată pe 5 noiembrie înTranzacții IEEE privind tehnologia sistemelor de control, arată cum gestionarea activă a cantității de curent electric care curge către fiecare celulă dintr-un pachet, în loc să furnizeze uniform încărcarea, poate reduce la minimum uzura. Abordarea permite în mod eficient fiecărei celule să își trăiască cea mai bună și cea mai lungă viață.

Potrivit profesoarei Simona Onori de la Stanford și autoare principală a studiului, simulările inițiale sugerează că bateriile gestionate cu noua tehnologie ar putea suporta cu cel puțin 20% mai multe cicluri de încărcare-descărcare, chiar și cu încărcare rapidă frecventă, ceea ce pune o presiune suplimentară asupra bateriei.

Majoritatea eforturilor anterioare de a prelungi durata de viață a bateriilor mașinilor electrice s-au concentrat pe îmbunătățirea designului, materialelor și fabricației celulelor individuale, bazându-se pe premisa că, asemenea verigile unui lanț, un pachet de baterii este la fel de bun ca și cea mai slabă celulă a sa. Noul studiu începe cu înțelegerea faptului că, deși verigile slabe sunt inevitabile - din cauza imperfecțiunilor de fabricație și pentru că unele celule se degradează mai repede decât altele pe măsură ce sunt expuse la solicitări precum căldura - nu este necesar ca acestea să distrugă întregul pachet. Cheia este de a adapta ratele de încărcare la capacitatea unică a fiecărei celule de a evita defectarea.

„Dacă nu sunt abordate corespunzător, eterogenitățile de la o celulă la alta pot compromite longevitatea, sănătatea și siguranța unui pachet de baterii și pot induce o defecțiune timpurie a acestuia”, a declarat Onori, profesor asistent de inginerie energetică la Școala de Sustenabilitate Stanford Doerr. „Abordarea noastră egalizează energia din fiecare celulă din pachet, aducând toate celulele la starea finală de încărcare dorită într-un mod echilibrat și îmbunătățind longevitatea pachetului.”

Inspirat să construiască o baterie de un milion de mile

O parte a impulsului pentru noua cercetare se datorează unui anunț din 2020 al companiei de mașini electrice Tesla, privind lucrările la o „baterie de un milion de mile”. Aceasta ar fi o baterie capabilă să alimenteze o mașină pe o distanță de 1 milion de mile sau mai mult (cu încărcare normală) înainte de a ajunge la punctul în care, la fel ca bateria litiu-ion dintr-un telefon sau laptop vechi, bateria vehiculului electric are o încărcare prea mică pentru a fi funcțională.

O astfel de baterie ar depăși garanția tipică a producătorilor auto pentru bateriile vehiculelor electrice, de opt ani sau 160.000 km. Deși bateriile au în mod obișnuit o durată de viață mai lungă decât garanția, încrederea consumatorilor în vehiculele electrice ar putea fi consolidată dacă înlocuirea costisitoare a bateriilor ar deveni și mai rară. O baterie care poate menține încărcătura după mii de reîncărcări ar putea, de asemenea, să faciliteze electrificarea camioanelor pe distanțe lungi și adoptarea așa-numitelor sisteme „vehicul-la-grilă”, în care bateriile vehiculelor electrice ar stoca și distribui energie regenerabilă către rețeaua electrică.

„Ulterior s-a explicat că conceptul de baterie de un milion de mile nu era de fapt o chimie nouă, ci doar o modalitate de a opera bateria fără a o face să utilizeze întregul interval de încărcare”, a spus Onori. Cercetările conexe s-au concentrat pe celulele individuale de litiu-ion, care, în general, nu pierd capacitatea de încărcare la fel de repede ca bateriile pline.

Intrigate, Onori și doi cercetători din laboratorul său – cercetătorul postdoctoral Vahid Azimi și doctorandul Anirudh Allam – au decis să investigheze modul în care gestionarea inventivă a tipurilor de baterii existente ar putea îmbunătăți performanța și durata de viață a unui pachet complet de baterii, care poate conține sute sau mii de celule.

Un model de baterie de înaltă fidelitate

Ca prim pas, cercetătorii au creat un model computerizat de înaltă fidelitate al comportamentului bateriei, care reprezenta cu acuratețe schimbările fizice și chimice care au loc în interiorul unei baterii pe parcursul duratei sale de viață. Unele dintre aceste schimbări se desfășoară în câteva secunde sau minute, altele în luni sau chiar ani.

„Din câte știm, niciun studiu anterior nu a folosit genul de model de baterie de înaltă fidelitate, cu scală temporală multiplă, pe care l-am creat”, a declarat Onori, directorul Laboratorului de Control al Energiei de la Stanford.

Simulările efectuate cu modelul au sugerat că un pachet de baterii modern poate fi optimizat și controlat prin includerea diferențelor dintre celulele sale constitutive. Onori și colegii săi își imaginează că modelul lor va fi utilizat pentru a ghida dezvoltarea sistemelor de gestionare a bateriilor în anii următori, sisteme care pot fi implementate cu ușurință în proiectele de vehicule existente.

Nu doar vehiculele electrice ar putea beneficia. Practic orice aplicație care „solicită mult bateria” ar putea fi un bun candidat pentru o gestionare mai bună, bazată pe noile rezultate, a spus Onori. Un exemplu? Aeronavele asemănătoare dronelor cu decolare și aterizare verticală electrică, uneori numite eVTOL, despre care unii antreprenori se așteaptă să funcționeze ca taxiuri aeriene și să ofere alte servicii de mobilitate aeriană urbană în următorul deceniu. Totuși, alte aplicații pentru bateriile reîncărcabile litiu-ion sunt atractive, inclusiv aviația generală și stocarea la scară largă a energiei regenerabile.

„Bateriile litiu-ion au schimbat deja lumea în atâtea feluri”, a spus Onori. „Este important să profităm cât mai mult de această tehnologie transformatoare și de succesorii ei care vor veni.”