Исследователи из Стэнфордского университета разработали новый способ продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов и уменьшить их износ при быстрой зарядке.
Исследование, опубликованное в IEEE Transactions on Control Systems Technology, показывает, как активное управление количеством электрического тока, протекающего к каждой ячейке в блоке, вместо равномерной подачи заряда может минимизировать износ. Этот подход эффективно позволяет каждой клетке прожить самую долгую жизнь.
По словам профессора Стэнфордского университета и старшего автора исследования Симоны Онори, первоначальное моделирование показало, что батареи, управляемые с помощью новой технологии, могут выдерживать по крайней мере на 20% больше циклов зарядки-разрядки, даже при частой быстрой зарядке, которая создает дополнительную нагрузку на батарею.
Большинство предыдущих усилий по продлению срока службы аккумуляторов электромобилей были сосредоточены на улучшении конструкции, материалов и производства отдельных элементов, исходя из предположения, что, подобно звеньям в цепи, аккумуляторная батарея хороша настолько, насколько хороша ее самая слабая ячейка.
Новое исследование начинается с понимания того, что, хотя слабые звенья неизбежны — из-за производственных дефектов и из-за того, что некоторые клетки деградируют быстрее, чем другие, поскольку они подвергаются воздействию таких нагрузок, как тепло, — они не должны разрушать всю конструкцию.
Суть в том, чтобы адаптировать скорость зарядки к уникальной емкости каждой ячейки, чтобы предотвратить отказ. «Если не принять надлежащих мер, неоднородность между ячейками может поставить под угрозу долговечность и безопасность аккумуляторной батареи и вызвать преждевременную неисправность аккумуляторной батареи», — сказала Онори, доцент кафедры энергетики в Стэнфордском университете Дорр.
«Наш подход выравнивает энергию в каждой ячейке в батарее, сбалансировано доводя все ячейки до конечного целевого состояния заряда и увеличивая срок службы батареи».
Аккумуляторная батарея на миллион миль
Частично импульс для нового исследования восходит к объявлению компании по производству электромобилей Tesla о работе над «батареей на миллион миль» в 2020 году.
Это будет батарея, способная питать автомобиль на 1 миллион миль или более (при регулярной зарядке), прежде чем она достигнет точки, когда, как литий-ионная батарея электромобиля не сможет держать достаточного количества заряда, чтобы нормально функционировать дальше.
Такая батарея превысит типичную гарантию автопроизводителей для аккумуляторов электромобилей, составляющую восемь лет или 100 000 миль.
Хотя гарантийный срок аккумуляторных батарей обычно превышает гарантийный срок, доверие потребителей к электромобилям могло бы укрепиться, если бы замена дорогостоящих аккумуляторных батарей стала еще реже.
Аккумуляторная батарея, которая все еще может удерживать заряд после тысяч перезарядок, также может облегчить электрификацию дальнемагистральных грузовиков и внедрение так называемых систем «автомобиль-сеть», в которых батареи электромобилей будут хранить и распределять возобновляемую энергию для энергосистемы.
«Позже было объяснено, что концепция батареи на миллион миль на самом деле была не новой химией, а просто способом эксплуатации батареи, не позволяющим ей использовать полный диапазон заряда», — сказала Онори.
Связанные исследования были сосредоточены на одиночных литий-ионных элементах, которые обычно не теряют зарядную емкость так быстро, как целые аккумуляторные батареи.
Студентка Анирудх Аллам решила исследовать, как новаторское управление существующими типами батарей может улучшить производительность и срок службы полной аккумуляторной батареи, которая может содержать сотни или тысячи элементов.
Высокоточная модель аккумулятора
В качестве первого шага исследователи создали высокоточную компьютерную модель поведения батареи, которая точно отражает физические и химические изменения, происходящие внутри батареи в течение срока ее службы. Некоторые из этих изменений разворачиваются в течение нескольких секунд или минут, другие — в течение месяцев или даже лет.
«Насколько нам известно, ни в одном из предыдущих исследований не использовалась высокоточная модель батареи с несколькими временными масштабами», — сказала Онори, директор Стэнфордской лаборатории управления энергопотреблением.
Запуск моделирования с помощью модели показал, что современный аккумуляторный блок можно оптимизировать и контролировать, учитывая различия между входящими в его состав ячейками.
Онори и его коллеги предполагают, что их модель в ближайшие годы будет использоваться для разработки систем управления батареями, которые можно будет легко внедрить в существующие конструкции электромобилей.
Выигрывают не только электромобили
По словам Онори, практически любое приложение, которое «сильно нагружает аккумулятор», может стать хорошим кандидатом на улучшение управления с учетом новых результатов.
Например, эта технология позволит улучшить дроноподобные летательные аппараты с электрическим вертикальным взлетом и посадкой, иногда называемые eVTOL, которые некоторые предприниматели хотят использовать в качестве воздушных такси и предоставлять другие услуги городской воздушной мобильности в течение следующего десятилетия.
Перспективны и другие области применения перезаряжаемых литий-ионных батарей, включая авиацию общего назначения и крупномасштабное хранение возобновляемой энергии.
«Литий-ионные аккумуляторы уже изменили мир во многих отношениях, — сказала Онори. «Важно, чтобы мы получили как можно больше от этой преобразующей технологии и ее будущих преемников».
Вахид Азими и др., Продление срока службы литий-ионных аккумуляторных систем за счет учета неоднородностей с помощью оптимальной стратегии активной балансировки на основе управления, IEEE Transactions on Control Systems Technology (2022).
Смотрите также: Перспективы применения органических полимеров в литий-ионных аккумуляторах