Het geheim van een lange levensduur voor oplaadbare batterijen schuilt mogelijk in het omarmen van verschillen. Nieuwe modellen die de degradatie van lithium-ioncellen in een accupakket beschrijven, laten zien hoe het opladen kan worden afgestemd op de capaciteit van elke cel. Hierdoor kunnen EV-batterijen meer laadcycli doorstaan ​​en uitval voorkomen.

Het onderzoek, gepubliceerd op 5 november inIEEE Transactions on Control Systems TechnologyDit laat zien hoe het actief beheren van de hoeveelheid elektrische stroom die naar elke cel in een accupakket vloeit, in plaats van het gelijkmatig verdelen van de lading, slijtage kan minimaliseren. Deze aanpak zorgt ervoor dat elke cel zijn maximale – en langste – levensduur bereikt.

Volgens Simona Onori, hoogleraar aan Stanford en hoofdauteur van de studie, suggereren eerste simulaties dat batterijen die met de nieuwe technologie worden beheerd, minstens 20% meer laad-ontlaadcycli aankunnen, zelfs bij frequent snelladen, wat de batterij extra belast.

De meeste eerdere pogingen om de levensduur van accu's voor elektrische auto's te verlengen, waren gericht op het verbeteren van het ontwerp, de materialen en de productie van afzonderlijke cellen. Dit was gebaseerd op de aanname dat, net als schakels in een ketting, een accupakket slechts zo goed is als de zwakste cel. De nieuwe studie gaat uit van het inzicht dat zwakke schakels onvermijdelijk zijn – vanwege fabricagefouten en omdat sommige cellen sneller degraderen dan andere wanneer ze worden blootgesteld aan stressfactoren zoals hitte – maar dat ze niet het hele accupakket hoeven te laten sneuvelen. De sleutel is om de laadsnelheid af te stemmen op de unieke capaciteit van elke cel om uitval te voorkomen.

"Als ze niet goed worden aangepakt, kunnen heterogeniteiten tussen cellen de levensduur, de gezondheid en de veiligheid van een accupakket in gevaar brengen en leiden tot vroegtijdige defecten", aldus Onori, assistent-professor energietechniek aan de Stanford Doerr School of Sustainability. "Onze aanpak egaliseert de energie in elke cel van het pakket, waardoor alle cellen op een evenwichtige manier de beoogde laadstatus bereiken en de levensduur van het pakket wordt verlengd."

Geïnspireerd om een ​​accu te bouwen die een miljoen mijl meegaat.

Een van de drijfveren achter het nieuwe onderzoek is een aankondiging van Tesla, de fabrikant van elektrische auto's, in 2020 over de ontwikkeling van een "miljoen-mijlsbatterij". Dit zou een batterij zijn die een auto 1 miljoen mijl of meer kan aandrijven (bij regelmatig opladen) voordat, net als bij de lithium-ionbatterij in een oude telefoon of laptop, de batterij van de elektrische auto te weinig lading bevat om nog te functioneren.

Een dergelijke batterij zou de gebruikelijke garantie van autofabrikanten voor elektrische autobatterijen van acht jaar of 100.000 mijl overtreffen. Hoewel accupakketten doorgaans langer meegaan dan de garantieperiode, zou het consumentenvertrouwen in elektrische voertuigen kunnen toenemen als dure vervangingen van accupakketten nog zeldzamer zouden worden. Een batterij die na duizenden laadbeurten nog steeds een lading vasthoudt, zou ook de elektrificatie van vrachtwagens voor langeafstandstransport kunnen vergemakkelijken, evenals de invoering van zogenaamde vehicle-to-grid-systemen, waarbij EV-batterijen hernieuwbare energie opslaan en terugleveren aan het elektriciteitsnet.

"Later werd uitgelegd dat het concept van de 'miljoen-mijlsbatterij' niet echt een nieuwe chemische samenstelling was, maar gewoon een manier om de batterij te gebruiken zonder de volledige laadcapaciteit te benutten," aldus Onori. Gerelateerd onderzoek richtte zich op afzonderlijke lithium-ioncellen, die over het algemeen minder snel hun laadcapaciteit verliezen dan complete accupakketten.

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

Een hoogwaardig batterijmodel

Als eerste stap ontwikkelden de onderzoekers een zeer nauwkeurig computermodel van het batterijgedrag, dat de fysieke en chemische veranderingen die zich in een batterij voordoen gedurende de levensduur accuraat weergeeft. Sommige van deze veranderingen voltrekken zich in seconden of minuten, andere in maanden of zelfs jaren.

"Voor zover wij weten, heeft geen enkele eerdere studie gebruikgemaakt van het soort zeer nauwkeurige batterijmodel met meerdere tijdschalen dat wij hebben ontwikkeld," aldus Onori, directeur van het Stanford Energy Control Lab.

Simulaties met het model suggereerden dat een modern accupakket geoptimaliseerd en aangestuurd kan worden door de verschillen tussen de afzonderlijke cellen te benutten. Onori en collega's verwachten dat hun model in de komende jaren gebruikt zal worden om de ontwikkeling van accubeheersystemen te sturen, die eenvoudig in bestaande voertuigontwerpen kunnen worden geïntegreerd.

Niet alleen elektrische voertuigen zullen hiervan profiteren. Vrijwel elke toepassing die de accu zwaar belast, zou volgens Onori in aanmerking kunnen komen voor een beter accubeheer op basis van de nieuwe resultaten. Een voorbeeld? Drones met elektrische verticale start en landing, ook wel eVTOL genoemd, waarvan sommige ondernemers verwachten dat ze de komende tien jaar als luchttaxi's en voor andere stedelijke luchtmobiliteitsdiensten zullen worden ingezet. Maar er zijn ook andere toepassingen voor oplaadbare lithium-ionbatterijen, zoals de algemene luchtvaart en grootschalige opslag van hernieuwbare energie.

"Lithium-ionbatterijen hebben de wereld al op zoveel manieren veranderd", aldus Onori. "Het is belangrijk dat we zoveel mogelijk profiteren van deze baanbrekende technologie en de technologieën die nog zullen volgen."