Ladattavien akkujen pitkän käyttöiän salaisuus voi piilee erojen syleilyssä.Uusi mallinnus litiumionikennojen hajoamisesta pakkauksessa näyttää tavan räätälöidä lataus kunkin kennon kapasiteetin mukaan, jotta sähköajoneuvojen akut pystyvät käsittelemään enemmän latausjaksoja ja välttämään vikoja.

Tutkimus julkaistiin 5. marraskuuta vuonnaIEEE Transactions on Control Systems Technology, osoittaa, kuinka pakkauksen jokaiseen kennoon virtaavan sähkövirran määrän aktiivinen hallitseminen tasaisen latauksen sijaan voi minimoida kulumisen.Lähestymistapa antaa jokaisen solun elää parhaan – ja pisimmän – elämänsä.

Stanfordin professorin ja vanhemman tutkimuksen kirjoittaja Simona Onorin mukaan alustavat simulaatiot viittaavat siihen, että uudella tekniikalla hallitut akut pystyvät käsittelemään vähintään 20 % enemmän lataus-purkausjaksoja jopa usein tapahtuvalla pikalatauksella, mikä kuormittaa akkua ylimääräisesti.

Suurin osa aiemmista ponnisteluista sähköauton akun käyttöiän pidentämiseksi on keskittynyt yksittäisten kennojen suunnittelun, materiaalien ja valmistuksen parantamiseen perustuen olettamukseen, että ketjun lenkkien tapaan akkupaketti on vain niin hyvä kuin sen heikoin kenno.Uusi tutkimus alkaa ymmärtämällä, että vaikka heikot lenkit ovat väistämättömiä – valmistusvirheiden vuoksi ja koska jotkut solut hajoavat nopeammin kuin toiset joutuessaan alttiiksi rasituksille, kuten kuumuudelle, niiden ei tarvitse kaataa koko pakettia.Tärkeintä on räätälöidä latausnopeudet kunkin solun ainutlaatuisen kapasiteetin mukaan vikojen välttämiseksi.

"Jos niihin ei puututa kunnolla, solujen väliset heterogeenisyydet voivat vaarantaa akun pitkäikäisyyden, terveyden ja turvallisuuden sekä aiheuttaa akun varhaisen toimintahäiriön", sanoo Onori, joka on Stanford Doerrin energiatieteen tekniikan apulaisprofessori. Kestävän kehityksen koulu."Lähestymistapamme tasaa energian jokaisessa pakkauksen kennossa, tuo kaikki kennot tasapainoisesti lopulliseen tavoitelataustilaan ja parantaa pakkauksen pitkäikäisyyttä."

Inspiroituneena miljoonan mailin akun rakentamiseen

Osa uuden tutkimuksen sysäyksestä juontaa juurensa sähköautoyhtiö Teslan vuonna 2020 julkaisemaan "miljoonan mailin akun" kehittämiseen.Tämä olisi akku, joka pystyy syöttämään autoa vähintään miljoona mailia (säännöllisellä latauksella), ennen kuin se saavuttaa pisteen, jossa sähköauton akku kestää liian vähän latausta toimiakseen, kuten vanhan puhelimen tai kannettavan tietokoneen litiumioniakku. .

Tällainen akku ylittäisi autonvalmistajien tyypillisen sähköajoneuvojen akkujen kahdeksan vuoden tai 100 000 mailin takuun.Vaikka akut kestävät yleensä takuunsa, kuluttajien luottamus sähköajoneuvoihin voi vahvistua, jos kalliiden akkujen vaihdot tulisivat yhä harvinaisemmiksi.Akku, joka kestää edelleen latausta tuhansien latauskertojen jälkeen, voisi myös helpottaa kaukoliikenteen kuorma-autojen sähköistämistä ja ns. ajoneuvosta verkkoon -järjestelmien käyttöönottoa, joissa sähköajoneuvojen akut varastoisivat ja lähettäisivät uusiutuvaa energiaa sähköverkkoon.

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

Onori ja kaksi hänen laboratorionsa tutkijaa – tohtori Vahid Azimi ja tohtori Anirudh Allam – päättivät tutkia, kuinka olemassa olevien akkutyyppien kekseliäs hallinta voisi parantaa satoja tai tuhansia soluja sisältävän täyden akun suorituskykyä ja käyttöikää. .

Korkealaatuinen akkumalli

Ensimmäisenä askeleena tutkijat loivat korkealaatuisen tietokonemallin akun käyttäytymisestä, joka edusti tarkasti akun sisällä tapahtuvia fysikaalisia ja kemiallisia muutoksia sen käyttöiän aikana.Jotkut näistä muutoksista tapahtuvat muutamassa sekunnissa tai minuuteissa – toiset kuukausien tai jopa vuosien aikana.

"Parhaan tietomme mukaan missään aikaisemmassa tutkimuksessa ei ole käytetty sellaista korkealaatuista, moniaikaista akkumallia, jonka loimme", sanoi Onori, joka on Stanford Energy Control Labin johtaja.

Mallilla suoritetut simulaatiot osoittivat, että nykyaikainen akkupaketti voidaan optimoida ja ohjata ottamalla huomioon sen solujen väliset erot.Onori ja kollegat kuvittelevat mallillaan ohjaavan tulevina vuosina akunhallintajärjestelmien kehittämistä, jotka voidaan helposti ottaa käyttöön olemassa oleviin ajoneuvomalleihin.

Ei vain sähköajoneuvoista ole hyötyä.Käytännössä mikä tahansa sovellus, joka "rasittaa akkua paljon", voisi olla hyvä ehdokas parempaan hallintaan uusien tulosten perusteella, Onori sanoi.Yksi esimerkki?Drone-tyyppinen lentokone, jossa on sähköinen pystysuora nousu ja lasku, jota joskus kutsutaan nimellä eVTOL, jonka jotkut yrittäjät odottavat toimivan lentotakseina ja tarjoavan muita kaupunkien lentoliikenteen palveluita seuraavan vuosikymmenen aikana.Silti muut ladattavien litiumioniakkujen sovellukset houkuttelevat, mukaan lukien yleisilmailu ja uusiutuvan energian laajamittainen varastointi.

"Litiumioniakut ovat jo muuttaneet maailmaa niin monella tavalla", Onori sanoi."On tärkeää, että saamme mahdollisimman paljon irti tästä muuttuvasta teknologiasta ja sen tulevista seuraajista."