Секрет долгой жизни аккумуляторных батарей может заключаться в различии.Новое моделирование того, как деградируют литий-ионные элементы в аккумуляторе, показывает способ адаптировать зарядку к емкости каждого элемента, чтобы аккумуляторы электромобилей могли выдерживать больше циклов зарядки и предотвращать выход из строя.

Исследование, опубликованное 5 ноября в журналеТранзакции IEEE по технологиям систем управления, показывает, как активное управление количеством электрического тока, проходящего к каждой ячейке в упаковке, вместо равномерной подачи заряда, может минимизировать износ.Такой подход эффективно позволяет каждой клетке прожить свою лучшую и самую долгую жизнь.

По словам профессора Стэнфорда и старшего автора исследования Симоны Онори, первоначальные симуляции показывают, что батареи, управляемые с помощью новой технологии, могут выдерживать как минимум на 20% больше циклов зарядки-разрядки, даже при частой быстрой зарядке, которая создает дополнительную нагрузку на батарею.

Большинство предыдущих попыток продлить срок службы аккумуляторов электромобилей были сосредоточены на совершенствовании конструкции, материалов и производства отдельных элементов, основываясь на предположении, что, как звенья в цепи, аккумуляторная батарея хороша настолько, насколько хороша ее самая слабая ячейка.Новое исследование начинается с понимания того, что, хотя слабые звенья неизбежны – из-за несовершенства производства и из-за того, что некоторые клетки деградируют быстрее, чем другие, когда они подвергаются стрессам, таким как тепло, – им не обязательно разрушать всю группу.Ключевым моментом является адаптация тарифов зарядки к уникальной емкости каждой ячейки во избежание сбоев.

«Если не принять надлежащих мер, неоднородность ячеек между ячейками может поставить под угрозу долговечность, здоровье и безопасность аккумуляторной батареи и вызвать раннюю неисправность аккумуляторной батареи», — сказал Онори, доцент кафедры энергетических наук в Стэнфордском университете Дорра. Школа устойчивого развития.«Наш подход уравнивает энергию в каждой ячейке упаковки, сбалансированно доводя все ячейки до конечного целевого состояния заряда и увеличивая срок службы батареи».

Вдохновленный созданием аккумулятора на миллион миль

Частично толчком к новому исследованию послужило объявление в 2020 году компании Tesla, компании по производству электромобилей, о работе над «батареей на миллион миль».Это будет аккумулятор, способный обеспечить питанием автомобиль на расстояние в 1 миллион миль или более (при регулярной зарядке), прежде чем он достигнет точки, в которой, как и литий-ионный аккумулятор в старом телефоне или ноутбуке, аккумулятор электромобиля будет удерживать слишком мало заряда, чтобы функционировать. .

Такая батарея превысит типичную гарантию автопроизводителей на аккумуляторы электромобилей, которая составляет восемь лет или 100 000 миль.Хотя срок службы аккумуляторных батарей обычно превышает гарантийный срок, доверие потребителей к электромобилям можно было бы укрепить, если бы дорогостоящие замены аккумуляторных батарей стали бы еще реже.Аккумулятор, который все еще может сохранять заряд после тысяч перезарядок, также может облегчить путь электрификации грузовиков для дальних перевозок и внедрения так называемых систем «автомобиль-сеть», в которых аккумуляторы для электромобилей будут хранить и передавать возобновляемую энергию для нужд электросеть.

«Позже выяснилось, что концепция батареи на миллион миль на самом деле была не новой химией, а просто способом эксплуатации батареи, не заставляя ее использовать полный диапазон заряда», — сказал Онори.Соответствующие исследования были сосредоточены на одиночных литий-ионных элементах, которые обычно не теряют зарядную емкость так быстро, как полные аккумуляторные блоки.

Заинтригованная Онори и два исследователя из ее лаборатории – постдокторант Вахид Азими и аспирант Анируд Аллам – решили изучить, как изобретательное управление существующими типами батарей может улучшить производительность и срок службы полного аккумуляторного блока, который может содержать сотни или тысячи ячеек. .

Высококачественная модель аккумулятора

В качестве первого шага исследователи создали высокоточную компьютерную модель поведения батареи, которая точно отражает физические и химические изменения, происходящие внутри батареи в течение ее срока службы.Некоторые из этих изменений происходят в течение нескольких секунд или минут, другие — в течение месяцев или даже лет.

«Насколько нам известно, ни в одном предыдущем исследовании не использовалась такая высокоточная многовременная модель батареи, которую мы создали», — сказал Онори, директор Стэнфордской лаборатории управления энергией.

Моделирование с использованием этой модели показало, что современный аккумуляторный блок можно оптимизировать и контролировать, учитывая различия между составляющими его элементами.Онори и его коллеги предполагают, что их модель будет использоваться для разработки систем управления аккумуляторами в ближайшие годы, которые можно будет легко внедрить в существующие конструкции транспортных средств.

От этого выиграют не только электромобили.По словам Онори, практически любое приложение, которое «сильно нагружает аккумулятор», может стать хорошим кандидатом на лучшее управление, основанное на новых результатах.Один пример?Самолеты, похожие на дроны, с электрическим вертикальным взлетом и посадкой, иногда называемые eVTOL, которые, как ожидают некоторые предприниматели, будут использоваться в качестве воздушного такси и предоставлять другие услуги городской воздушной мобильности в течение следующего десятилетия.Тем не менее, существуют и другие области применения литий-ионных аккумуляторов, включая авиацию общего назначения и крупномасштабное хранение возобновляемой энергии.

«Литий-ионные батареи уже во многом изменили мир», — сказал Онори.«Важно, чтобы мы получили как можно больше от этой преобразующей технологии и ее будущих преемников».