Įkraunamų baterijų ilgo tarnavimo laiko paslaptis gali slypėti skirtumų priėmime. Naujas ličio jonų elementų susidėvėjimo modeliavimas rodo būdą, kaip pritaikyti įkrovimą prie kiekvieno elemento talpos, kad elektromobilių baterijos galėtų atlaikyti daugiau įkrovimo ciklų ir išvengti gedimų.

Tyrimas, paskelbtas lapkričio 5 d. žurnale „...IEEE valdymo sistemų technologijos sandoriai, parodo, kaip aktyviai valdant kiekvienam baterijos elementui tekančios elektros srovės kiekį, o ne tolygiai tiekiant krūvį, galima sumažinti susidėvėjimą. Toks metodas leidžia kiekvienam elementui tarnauti ilgiau ir ilgiau.

Pasak Stanfordo profesorės ir vyresniosios tyrimo autorės Simonos Onori, pradiniai modeliavimai rodo, kad naujos technologijos valdomos baterijos gali atlaikyti bent 20 % daugiau įkrovimo ir iškrovimo ciklų, net ir dažnai įkraunant greitai, o tai papildomai apkrauna bateriją.

Dauguma ankstesnių pastangų prailginti elektromobilių akumuliatoriaus veikimo laiką buvo sutelktos į atskirų elementų konstrukcijos, medžiagų ir gamybos tobulinimą, remiantis prielaida, kad, kaip ir grandinės grandys, akumuliatorių blokas yra toks geras, koks yra silpniausias jo elementas. Naujas tyrimas prasideda nuo supratimo, kad nors silpnos grandys yra neišvengiamos – dėl gamybos netobulumų ir dėl to, kad kai kurie elementai susidėvi greičiau nei kiti, nes yra veikiami tokių įtempių kaip karštis – jos nebūtinai turi sugadinti visą bloką. Svarbiausia yra pritaikyti įkrovimo greitį prie unikalios kiekvieno elemento talpos, kad būtų išvengta gedimų.

„Jei netinkamai sprendžiama, elementų tarpusavio nevienalytiškumas gali pakenkti akumuliatorių bloko ilgaamžiškumui, sveikatai ir saugumui bei sukelti ankstyvą akumuliatorių bloko gedimą“, – teigė Onori, energetikos mokslų inžinerijos docentas Stanfordo Doerr tvarumo mokykloje. „Mūsų metodas suvienodina kiekvieno bloko elemento energiją, subalansuotai įkraunant visus elementus iki galutinės tikslinės įkrovos būsenos ir pagerinant bloko ilgaamžiškumą.“

Įkvėptas sukurti milijono mylių akumuliatorių

Dalis naujų tyrimų impulso kyla iš 2020 m. elektromobilių kompanijos „Tesla“ pranešimo apie darbą su „milijono mylių baterija“. Tai būtų baterija, galinti maitinti automobilį 1 milijoną mylių ar daugiau (įprastai įkraunant), kol pasieks tašką, kai, kaip ir ličio jonų baterija sename telefone ar nešiojamajame kompiuteryje, elektromobilio baterija sukaups per mažai įkrovos, kad veiktų.

Toks akumuliatorius viršytų įprastą automobilių gamintojų elektromobilių akumuliatorių garantiją – aštuonerius metus arba 160 000 km. Nors akumuliatorių blokai paprastai tarnauja ilgiau nei numatyta garantija, vartotojų pasitikėjimas elektromobiliais galėtų sustiprėti, jei brangūs akumuliatorių blokai būtų keičiami dar rečiau. Akumuliatorius, kuris galėtų išlaikyti įkrovą po tūkstančių įkrovimų, taip pat galėtų palengvinti tolimųjų reisų sunkvežimių elektrifikavimą ir vadinamųjų „vehicle-to-grid“ sistemų, kuriose elektromobilių akumuliatoriai kauptų ir tiektų atsinaujinančią energiją elektros tinklui, diegimą.

„Vėliau buvo paaiškinta, kad milijono mylių baterijos koncepcija iš tikrųjų nebuvo nauja cheminė reakcija, o tiesiog būdas valdyti bateriją nenaudojant viso įkrovimo diapazono“, – sakė Onori. Susiję tyrimai daugiausia buvo skirti pavieniams ličio jonų elementams, kurie paprastai nepraranda įkrovimo talpos taip greitai, kaip pilni akumuliatorių blokai.

Susidomėjusi Onori ir du jos laboratorijos tyrėjai – podoktorantūros mokslininkas Vahidas Azimi ir doktorantas Anirudhas Allamas – nusprendė ištirti, kaip išradingas esamų akumuliatorių tipų valdymas galėtų pagerinti pilno akumuliatorių bloko, kuriame gali būti šimtai ar tūkstančiai elementų, našumą ir tarnavimo laiką.

Aukštos kokybės akumuliatoriaus modelis

Pirmiausia tyrėjai sukūrė aukštos kokybės kompiuterinį akumuliatoriaus elgsenos modelį, kuris tiksliai atspindėjo fizinius ir cheminius pokyčius, vykstančius akumuliatoriaus viduje jo eksploatavimo metu. Kai kurie iš šių pokyčių vyksta per kelias sekundes ar minutes, kiti – per mėnesius ar net metus.

„Kiek mums žinoma, jokiame ankstesniame tyrime nebuvo naudojamas tokio tipo aukštos kokybės, daugiamačio masto akumuliatoriaus modelis, kokį sukūrėme“, – teigė Onori, kuris yra Stanfordo energijos valdymo laboratorijos direktorius.

Atlikus modeliavimo darbus, paaiškėjo, kad šiuolaikinį akumuliatorių bloką galima optimizuoti ir valdyti atsižvelgiant į jo sudedamųjų elementų skirtumus. Onori ir kolegos įsivaizduoja, kad jų modelis ateinančiais metais bus naudojamas kuriant akumuliatorių valdymo sistemas, kurias būtų galima lengvai įdiegti esamuose transporto priemonių projektuose.

Naudos gali gauti ne tik elektrinės transporto priemonės. Pasak Onori, praktiškai bet kokia taikymo sritis, kuri „labai apkrauna akumuliatorių bloką“, galėtų būti tinkama geresniam valdymui, remiantis naujais rezultatais. Vienas pavyzdys? Į dronus panašūs orlaiviai su elektriniu vertikaliu kilimu ir tūpimu, kartais vadinami eVTOL, kuriuos kai kurie verslininkai tikisi naudoti kaip oro taksi ir teikti kitas miesto oro mobilumo paslaugas. Vis dėlto vilioja ir kitos įkraunamų ličio jonų akumuliatorių taikymo sritys, įskaitant bendrąją aviaciją ir didelio masto atsinaujinančios energijos kaupimą.

„Ličio jonų baterijos jau pakeitė pasaulį daugeliu atžvilgių“, – sakė Onori. „Svarbu, kad iš šios transformuojančios technologijos ir jos ateities įpėdinių gautume kuo daugiau naudos.“