Секрет долгой службы перезаряжаемых батарей, возможно, кроется в умении использовать различные варианты. Новое моделирование процесса деградации литий-ионных элементов в батарейном блоке показывает, как адаптировать процесс зарядки к емкости каждого элемента, чтобы батареи электромобилей могли выдерживать больше циклов зарядки и предотвращать поломки.

Исследование, опубликованное 5 ноября,Труды IEEE по технологиям систем управленияНа рисунке показано, как активное управление количеством электрического тока, протекающего к каждой ячейке в батарее, вместо равномерной подачи заряда, может минимизировать износ. Такой подход позволяет каждой ячейке прослужить максимально долго.

По словам профессора Стэнфордского университета и ведущего автора исследования Симоны Онори, первоначальные результаты моделирования показывают, что батареи, использующие новую технологию, 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 батарей электромобилей были сосредоточены на улучшении конструкции, материалов и производства отдельных элементов, исходя из предпосылки, что, подобно звеньям в цепи, батарея работает настолько хорошо, насколько хорош её самый слабый элемент. Новое исследование начинается с понимания того, что, хотя слабые звенья неизбежны — из-за производственных дефектов и потому, что некоторые элементы деградируют быстрее других под воздействием таких нагрузок, как высокая температура, — они не обязательно должны вывести из строя всю батарею. Ключевым моментом является адаптация скорости зарядки к уникальной емкости каждого элемента, чтобы предотвратить его выход из строя.

«Если не принять соответствующие меры, неоднородность заряда между отдельными ячейками может поставить под угрозу срок службы, работоспособность и безопасность аккумуляторного блока, а также привести к его преждевременному выходу из строя», — говорит Онори, доцент кафедры энергетической инженерии в Стэнфордской школе устойчивого развития им. Доэрра. «Наш подход выравнивает энергию в каждой ячейке блока, доводя все ячейки до конечного целевого уровня заряда сбалансированным образом и увеличивая срок службы блока».

Вдохновлен на создание батареи, способной проехать миллион миль.

Частично импульс для новых исследований связан с заявлением компании Tesla, производителя электромобилей, сделанным в 2020 году, о работе над «батареей на миллион миль». Это будет батарея, способная питать автомобиль на протяжении 1 миллиона миль или более (при регулярной зарядке), прежде чем заряд батареи электромобиля, подобно литий-ионной батарее в старом телефоне или ноутбуке, станет слишком малым для нормальной работы.

Такая батарея превзошла бы типичную гарантию автопроизводителей на батареи электромобилей, составляющую восемь лет или 100 000 миль. Хотя батареи обычно служат дольше гарантийного срока, доверие потребителей к электромобилям могло бы укрепиться, если бы дорогостоящая замена батарей стала еще реже. Батарея, способная сохранять заряд после тысяч перезарядок, также могла бы облегчить электрификацию большегрузных автомобилей и внедрение так называемых систем «автомобиль-сеть», в которых батареи электромобилей будут накапливать и передавать возобновляемую энергию в электросеть.

«Позже было объяснено, что концепция батареи, рассчитанной на миллион миль пробега, на самом деле не является новой химической концепцией, а лишь способом работы батареи, позволяющим не использовать весь диапазон заряда», — сказал Онори. Соответствующие исследования сосредоточены на отдельных литий-ионных элементах, которые, как правило, не теряют емкость заряда так быстро, как целые аккумуляторные блоки.

Заинтригованные этим, Онори и два исследователя из ее лаборатории – научный сотрудник Вахид Азими и аспирант Анируд Аллам – решили изучить, как новаторское управление существующими типами батарей может улучшить производительность и срок службы целого аккумуляторного блока, который может содержать сотни или тысячи элементов.

Высокоточная модель батареи

В качестве первого шага исследователи создали высокоточную компьютерную модель поведения батареи, которая точно воспроизводила физические и химические изменения, происходящие внутри батареи в течение срока ее службы. Некоторые из этих изменений происходят за считанные секунды или минуты, другие — за месяцы или даже годы.

«Насколько нам известно, ни в одном предыдущем исследовании не использовалась столь же точная многомасштабная модель батареи, какую мы создали», — сказал Онори, директор Стэнфордской лаборатории управления энергией.

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

Выгоду получат не только электромобили. По словам Онори, практически любое применение, которое «сильно нагружает аккумуляторную батарею», может стать хорошим кандидатом для более эффективного управления, основанного на новых результатах. Один из примеров? Беспилотные летательные аппараты с электрическим вертикальным взлетом и посадкой, иногда называемые eVTOL, которые, по мнению некоторых предпринимателей, будут использоваться в качестве аэротакси и предоставлять другие услуги городской воздушной мобильности в течение следующего десятилетия. Тем не менее, существуют и другие области применения перезаряжаемых литий-ионных батарей, включая авиацию общего назначения и крупномасштабное хранение возобновляемой энергии.

«Литий-ионные батареи уже изменили мир во многих отношениях, — сказал Онори. — Важно, чтобы мы извлекли максимум пользы из этой революционной технологии и ее будущих преемников».