Ladattavien akkujen pitkän käyttöiän salaisuus saattaa piilee erilaisuuden omaksumisessa. Uusi mallinnus siitä, miten litiumioni-akkujen kuluminen hajoaa, osoittaa tavan räätälöidä lataus kunkin kennon kapasiteetin mukaan, jotta sähköautojen akut kestävät enemmän lataussyklejä ja estävät vikaantumisen.

Tutkimus julkaistiin 5. marraskuutaIEEE:n ohjausjärjestelmäteknologiaa koskevat transaktiot, osoittaa, kuinka kulumista voidaan minimoida hallitsemalla aktiivisesti kuhunkin akun kennoon virtaavaa sähkövirtaa sen sijaan, että varausta jaettaisiin tasaisesti. Lähestymistapa mahdollistaa tehokkaasti jokaisen kennon parhaan – ja pisimmän – käyttöiän.

Stanfordin professorin ja tutkimusjohtajan Simona Onorin mukaan alustavat simulaatiot viittaavat siihen, että uudella teknologialla hallitut akut pystyisivät käsittelemään ainakin 20 % enemmän lataus- ja purkaussyklejä, jopa tiheästi toistuvalla pikalatauksella, joka rasittaa akkua ylimääräistä rasitusta.

Useimmat aiemmat pyrkimykset pidentää sähköautojen akun käyttöikää ovat keskittyneet yksittäisten kennojen suunnittelun, materiaalien ja valmistuksen parantamiseen. Tämä perustuu oletukseen, että ketjun lenkkien tavoin akkupaketti on vain niin hyvä kuin sen heikoin kenno. Uusi tutkimus alkaa ymmärryksestä, että vaikka heikot lenkit ovat väistämättömiä – valmistuksen epätäydellisyyksien ja sen vuoksi, että jotkut kennot heikkenevät nopeammin kuin toiset altistuessaan rasituksille, kuten lämmölle – niiden ei tarvitse rikkoa koko akkua. Avain on räätälöidä latausnopeudet kunkin kennon ainutlaatuisen kapasiteetin mukaan vikaantumisen välttämiseksi.

”Jos kennojen välisiä heterogeenejä ei käsitellä asianmukaisesti, ne voivat vaarantaa akkupaketin pitkäikäisyyden, terveyden ja turvallisuuden sekä aiheuttaa akkupaketin varhaisen toimintahäiriön”, sanoo Onori, joka on energiatieteiden tekniikan apulaisprofessori Stanford Doerr School of Sustainabilityssa. ”Lähestymistapamme tasaa jokaisen akun kennon energian, jolloin kaikki kennot saavuttavat lopullisen tavoitellun lataustilan tasapainoisella tavalla ja parantuvat akun pitkäikäisyyttä.”

Inspiroitunut rakentamaan miljoonan mailin akun

Osa uuden tutkimuksen sysäyksestä juontaa juurensa sähköautoyhtiö Teslan vuonna 2020 julkaisemaan ilmoitukseen työstään "miljoonan mailin akun" parissa. Kyseessä olisi akku, joka kykenisi lataamaan autoa miljoona mailia tai enemmän (normaalilla latauksella) ennen kuin se saavuttaa pisteen, jossa vanhan puhelimen tai kannettavan tietokoneen litiumioniakun tavoin sähköauton akussa on liian vähän varausta ollakseen toimiva.

Tällainen akku ylittäisi autonvalmistajien tyypillisen sähköajoneuvojen akuille antaman kahdeksan vuoden tai 160 000 kilometrin takuun. Vaikka akut kestävät yleensä takuunsa pidempään, kuluttajien luottamus sähköajoneuvoihin voisi vahvistua, jos kalliiden akkujen vaihdot harvenisivat entisestään. Akku, joka pystyy pitämään varauksen tuhansien latausten jälkeen, voisi myös helpottaa pitkän matkan kuorma-autojen sähköistämistä ja niin sanottujen ajoneuvosta verkkoon -järjestelmien käyttöönottoa, joissa sähköautojen akut varastoisivat ja lähettäisivät uusiutuvaa energiaa sähköverkkoon.

”Myöhemmin selitettiin, että miljoonan mailin akkukonsepti ei oikeastaan ​​ollut uusi kemia, vaan vain tapa käyttää akkua siten, että se ei käytä täyttä latausaluetta”, Onori sanoi. Aiheeseen liittyvä tutkimus on keskittynyt yksittäisiin litiumioniakkuihin, jotka eivät yleensä menetä latauskapasiteettiaan yhtä nopeasti kuin täydet akut.

Onori ja kaksi hänen laboratorionsa tutkijaa – postdoc-tutkija Vahid Azimi ja tohtoriopiskelija Anirudh Allam – päättivät tutkia, miten olemassa olevien akkutyyppien kekseliäs hallinta voisi parantaa täyden akkupaketin suorituskykyä ja käyttöikää, joka voi sisältää satoja tai tuhansia kennoja.

Huippuluokan akkumalli

Ensimmäisenä askeleena tutkijat laativat akun käyttäytymisestä tarkkaan tietokoneella mallinnetun mallin, joka tarkasti edusti akun sisällä sen käyttöiän aikana tapahtuvia fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia. Jotkut näistä muutoksista tapahtuvat muutamassa sekunnissa tai minuutissa – toiset kuukausien tai jopa vuosien kuluessa.

”Tietojemme mukaan missään aiemmassa tutkimuksessa ei ole käytetty luomaamme korkean tarkkuuden ja usean aikaskaalan akkumallia”, sanoo Stanfordin energiansäätölaboratorion johtaja Onori.

Mallin avulla tehdyt simulaatiot viittasivat siihen, että nykyaikaista akkupakettia voidaan optimoida ja ohjata hyödyntämällä sen sisältämien kennojen välisiä eroja. Onori ja kollegat kuvittelevat malliaan käytettävän tulevina vuosina akunhallintajärjestelmien kehittämisen ohjaajana, jotta järjestelmät voidaan helposti ottaa käyttöön olemassa olevissa ajoneuvomalleissa.

Eivätkä ainoastaan ​​sähköajoneuvot hyödy tästä. Onorin mukaan käytännössä mikä tahansa sovellus, joka "rasittaa akkupakettia paljon", voisi olla hyvä ehdokas paremmalle hallinnalle uusien tulosten perusteella. Yksi esimerkki tästä ovat sähkökäyttöisellä pystysuoralla nousulla ja laskeutumisella varustetut droonien kaltaiset ilma-alukset, joita joskus kutsutaan myös eVTOL:iksi ja joidenkin yrittäjien odotetaan toimivan ilmatakseina ja tarjoavan muita kaupunkien ilmaliikennepalveluita seuraavan vuosikymmenen aikana. Ladattavien litiumioniakkujen muitakin sovelluksia on kuitenkin tarjolla, kuten yleisilmailu ja uusiutuvan energian laajamittainen varastointi.

”Litium-ioniakut ovat jo muuttaneet maailmaa niin monella tapaa”, Onori sanoi. ”On tärkeää, että saamme tästä mullistavasta teknologiasta ja sen tulevista seuraajista irti mahdollisimman paljon.”