Het geheim van een lange levensduur van oplaadbare batterijen ligt wellicht in het omarmen van verschillen.Nieuwe modellen van hoe lithium-ioncellen in een pakket degraderen, tonen een manier om het opladen aan te passen aan de capaciteit van elke cel, zodat EV-batterijen meer oplaadcycli aankunnen en storingen kunnen voorkomen.

Het onderzoek, gepubliceerd op 5 november inIEEE-transacties op besturingssysteemtechnologielaat zien hoe het actief beheren van de hoeveelheid elektrische stroom die naar elke cel in een pakket stroomt, in plaats van gelijkmatig lading te leveren, slijtage kan minimaliseren.Dankzij deze aanpak kan elke cel effectief zijn beste – en langste – leven leiden.

Volgens Stanford-professor en senior studie-auteur Simona Onori suggereren de eerste simulaties dat batterijen die met de nieuwe technologie worden beheerd, minstens 20% meer laad-ontlaadcycli aankunnen, zelfs als ze regelmatig snel worden opgeladen, wat de batterij extra belast.

De meeste eerdere pogingen om de levensduur van de accu van elektrische auto's te verlengen waren gericht op het verbeteren van het ontwerp, de materialen en de productie van afzonderlijke cellen, gebaseerd op het uitgangspunt dat een accupakket, net als schakels in een ketting, slechts zo goed is als de zwakste cel.De nieuwe studie begint met het inzicht dat, hoewel zwakke schakels onvermijdelijk zijn – vanwege fabricagefouten en omdat sommige cellen sneller degraderen dan andere als ze worden blootgesteld aan spanningen zoals hitte – ze niet het hele pakket hoeven neer te halen.De sleutel is om de laadtarieven af ​​te stemmen op de unieke capaciteit van elke cel om uitval te voorkomen.

“Als ze niet op de juiste manier worden aangepakt, kunnen heterogeniteiten tussen cellen de levensduur, de gezondheid en de veiligheid van een batterijpakket in gevaar brengen en vroegtijdig defect raken aan het batterijpakket veroorzaken”, zegt Onori, assistent-professor energiewetenschap aan de Stanford Doerr. Duurzaamheidsschool.“Onze aanpak egaliseert de energie in elke cel in de roedel, waardoor alle cellen op een evenwichtige manier naar de uiteindelijke beoogde ladingstoestand worden gebracht en de levensduur van de roedel wordt verbeterd.”

Geïnspireerd om een ​​batterij van een miljoen mijl te bouwen

Een deel van de impuls voor het nieuwe onderzoek gaat terug op een aankondiging in 2020 door Tesla, het bedrijf voor elektrische auto’s, van werkzaamheden aan een ‘miljoen-kilometer-batterij’.Dit zou een batterij zijn die een auto 1 miljoen kilometer of meer van stroom kan voorzien (bij regelmatig opladen) voordat het punt wordt bereikt waarop, net als de lithium-ionbatterij in een oude telefoon of laptop, de batterij van de EV te weinig lading bevat om functioneel te zijn .

Een dergelijke batterij zou de typische garantie van autofabrikanten voor batterijen van elektrische voertuigen van acht jaar of 160.000 kilometer overschrijden.Hoewel batterijpakketten doorgaans langer meegaan dan hun garantie, zou het consumentenvertrouwen in elektrische voertuigen kunnen worden versterkt als dure vervangingen van batterijpakketten nog zeldzamer zouden worden.Een batterij die na duizenden oplaadbeurten nog steeds een lading kan vasthouden, zou ook de weg kunnen vergemakkelijken voor de elektrificatie van vrachtwagens op lange afstanden, en voor de adoptie van zogenaamde vehicle-to-grid-systemen, waarin EV-batterijen hernieuwbare energie zouden opslaan en verzenden voor het elektriciteitsnet.

“Later werd uitgelegd dat het batterijconcept van een miljoen mijl niet echt een nieuwe chemie was, maar slechts een manier om de batterij te laten werken door hem niet het volledige laadbereik te laten gebruiken,” zei Onori.Gerelateerd onderzoek heeft zich geconcentreerd op afzonderlijke lithium-ioncellen, die over het algemeen niet zo snel hun laadcapaciteit verliezen als volle accu's.

Geïntrigeerd besloten Onori en twee onderzoekers in haar laboratorium – postdoctoraal onderzoeker Vahid Azimi en promovendus Anirudh Allam – te onderzoeken hoe inventief beheer van bestaande batterijtypen de prestaties en levensduur van een volledig batterijpakket, dat honderden of duizenden cellen kan bevatten, zou kunnen verbeteren. .

Een high-fidelity batterijmodel

Als eerste stap hebben de onderzoekers een high-fidelity computermodel van batterijgedrag gemaakt dat nauwkeurig de fysieke en chemische veranderingen weergeeft die plaatsvinden in een batterij tijdens zijn operationele levensduur.Sommige van deze veranderingen voltrekken zich binnen enkele seconden of minuten, andere over maanden of zelfs jaren.

“Voor zover wij weten, heeft geen enkele eerdere studie gebruik gemaakt van het soort high-fidelity, multi-timescale batterijmodel dat we hebben gemaakt”, zegt Onori, directeur van het Stanford Energy Control Lab.

Simulaties met het model suggereerden dat een modern batterijpakket kan worden geoptimaliseerd en gecontroleerd door de verschillen tussen de samenstellende cellen te omarmen.Onori en collega's voorzien dat hun model de komende jaren zal worden gebruikt als leidraad voor de ontwikkeling van batterijbeheersystemen die eenvoudig kunnen worden ingezet in bestaande voertuigontwerpen.

Niet alleen elektrische voertuigen profiteren hiervan.Vrijwel elke toepassing die “het batterijpakket veel belast” zou een goede kandidaat kunnen zijn voor beter beheer op basis van de nieuwe resultaten, zei Onori.Een voorbeeld?Drone-achtige vliegtuigen met elektrisch verticaal opstijgen en landen, ook wel eVTOL genoemd, waarvan sommige ondernemers verwachten dat ze de komende tien jaar zullen opereren als luchttaxi's en andere stedelijke luchtmobiliteitsdiensten zullen gaan leveren.Toch lonken andere toepassingen voor oplaadbare lithium-ionbatterijen, waaronder de algemene luchtvaart en grootschalige opslag van hernieuwbare energie.

“Lithium-ionbatterijen hebben de wereld al op zoveel manieren veranderd”, zei Onori.“Het is belangrijk dat we zoveel mogelijk uit deze transformatieve technologie en de toekomstige opvolgers halen.”