Сакрэт доўгага тэрміну службы акумулятарных батарэй можа заключацца ў прыняцці адрозненняў. Новае мадэляванне таго, як дэградуюць літый-іённыя элементы ў акумулятарнай батарэі, паказвае спосаб адаптаваць зарадку да ёмістасці кожнага элемента, каб батарэі электрамабіляў маглі вытрымліваць больш цыклаў зарадкі і прадухіляць паломкі.

Даследаванне, апублікаванае 5 лістапада ўIEEE Transactions па тэхналогіях сістэм кіраванняпаказвае, як актыўнае кіраванне колькасцю электрычнага току, які паступае ў кожную ячэйку ў акумулятарнай батарэі, замест раўнамернай падачы зарада, можа мінімізаваць знос. Гэты падыход эфектыўна дазваляе кожнай ячэйцы пражыць свой найлепшы — і самы доўгі — тэрмін службы.

Паводле слоў прафесара Стэнфардскага ўніверсітэта і старэйшага аўтара даследавання Сімоны Онорі, пачатковае мадэляванне паказвае, што акумулятары, якія працуюць з выкарыстаннем новай тэхналогіі, могуць вытрымліваць як мінімум на 20% больш цыклаў зарадкі-разрадкі, нават пры частай хуткай зарадцы, якая стварае дадатковую нагрузку на акумулятар.

Большасць папярэдніх намаганняў па падаўжэнні тэрміну службы акумулятара электрамабіля былі сканцэнтраваны на ўдасканаленні канструкцыі, матэрыялаў і вытворчасці асобных элементаў, зыходзячы з таго, што, як і звёны ў ланцугу, акумулятарны блок добры настолькі, наколькі добры яго самы слабы элемент. Новае даследаванне пачынаецца з разумення таго, што, хоць слабыя звёны непазбежныя — з-за недасканаласцей вытворчасці і таму, што некаторыя элементы разбураюцца хутчэй, чым іншыя, пад уздзеяннем нагрузак, такіх як цяпло, — яны не абавязкова павінны разбураць увесь акумулятар. Галоўнае — адаптаваць хуткасць зарадкі да ўнікальнай ёмістасці кожнага элемента, каб пазбегнуць паломкі.

«Калі не вырашаць праблему неаднароднасці паміж элементамі, гэта можа паўплываць на тэрмін службы, здароўе і бяспеку акумулятарнай батарэі і прывесці да яе ранняга выхаду з ладу», — сказаў Оноры, дацэнт кафедры энергетычнай інжынерыі ў Школе ўстойлівага развіцця Стэнфардскага Доэра. «Наш падыход ураўноўвае энергію ў кожнай ячэйцы батарэі, даводзячы ўсе ячэйкі да канчатковага зададзенага стану зарада збалансаваным чынам і павялічваючы тэрмін службы батарэі».

Натхнёны на стварэнне акумулятара прабегу ў мільён міль

Часткова штуршком для новага даследавання стала аб'ява кампаніі Tesla, якая вырабляе электрамабілі, у 2020 годзе аб працы над «акумулятарам на мільён міль». Гэта будзе акумулятар, здольны забяспечваць аўтамабіль 1 мільён міль і больш (пры рэгулярнай зарадцы), перш чым ён дасягне кропкі, калі, як літый-іённы акумулятар у старым тэлефоне або ноўтбуку, будзе мець занадта малы зарад для функцыянавання.

Такая батарэя перавысіла б тыповую гарантыю аўтавытворцаў на акумулятары для электрамабіляў, якая складае восем гадоў або 100 000 міль. Нягледзячы на ​​тое, што акумулятарныя блокі звычайна служаць даўжэй за свой гарантыйны тэрмін, давер спажыўцоў да электрамабіляў можна было б умацаваць, калі б дарагая замена акумулятараў стала яшчэ радзейшай. Акумулятар, які ўсё яшчэ можа ўтрымліваць зарад пасля тысяч зарадак, таксама мог бы палегчыць шлях да электрыфікацыі грузавікоў для далёкіх перавозак і да ўкаранення так званых сістэм «аўтамабіль-сетка», у якіх акумулятары электрамабіляў будуць захоўваць і адпраўляць аднаўляльную энергію ў электрасетку.

«Пазней было растлумачана, што канцэпцыя батарэі з прабегам у мільён міль насамрэч не была новай хіміяй, а проста спосабам эксплуатацыі батарэі, не прымушаючы яе выкарыстоўваць поўны дыяпазон зарадкі», — сказаў Оноры. Падобныя даследаванні былі сканцэнтраваны на асобных літый-іённых элементах, якія звычайна не губляюць ёмістасць зарадкі так хутка, як поўныя акумулятарныя блокі.

Заінтрыгаваная, Оноры і два даследчыкі з яе лабараторыі — постдактарант Вахід Азімі і аспірант Анірудх Алам — вырашылі даследаваць, як вынаходніцкае кіраванне існуючымі тыпамі акумулятараў можа палепшыць прадукцыйнасць і тэрмін службы поўнага акумулятарнага блока, які можа ўтрымліваць сотні ці тысячы ячэек.

Высокадакладная мадэль акумулятара

У якасці першага кроку даследчыкі стварылі высакаякасную камп'ютэрную мадэль паводзін акумулятара, якая дакладна адлюстроўвала фізічныя і хімічныя змены, якія адбываюцца ўнутры акумулятара на працягу тэрміну яго службы. Некаторыя з гэтых змен адбываюцца за лічаныя секунды ці хвіліны, іншыя — на працягу месяцаў ці нават гадоў.

«Наколькі нам вядома, ні ў адным папярэднім даследаванні не выкарыстоўвалася такая высакаякасная шматчасовая мадэль батарэі, якую мы стварылі», — сказаў Оноры, дырэктар Стэнфардскай лабараторыі кантролю энергіі.

Мадэляванне з дапамогай гэтай мадэлі паказала, што сучасны акумулятарны блок можна аптымізаваць і кіраваць, улічваючы адрозненні паміж яго складовымі элементамі. Оноры і яго калегі мяркуюць, што іх мадэль будзе выкарыстоўвацца для распрацоўкі сістэм кіравання акумулятарамі ў бліжэйшыя гады, якія можна будзе лёгка ўкараніць у існуючыя канструкцыі транспартных сродкаў.

Не толькі электрамабілі могуць атрымаць карысць. Па словах Оноры, практычна любое прымяненне, якое «моцна нагружае акумулятарную батарэю», можа стаць добрым кандыдатам для лепшага кіравання, абапіраючыся на новыя вынікі. Адзін з прыкладаў? Бесплотныя лятальныя апараты з электрычным вертыкальным узлётам і пасадкай, якія часам называюць eVTOL, якія, як чакаюць некаторыя прадпрымальнікі, будуць выкарыстоўвацца ў якасці паветраных таксі і забяспечваць іншыя паслугі гарадской паветранай мабільнасці на працягу наступнага дзесяцігоддзя. Тым не менш, вабяць іншыя сферы прымянення акумулятарных літый-іённых батарэй, у тым ліку агульная авіяцыя і маштабнае захоўванне аднаўляльнай энергіі.

«Літый-іённыя акумулятары ўжо змянілі свет у многіх адносінах», — сказаў Оноры. «Важна, каб мы атрымалі як мага больш карысці ад гэтай трансфармацыйнай тэхналогіі і яе будучых пераемнікаў».