Uzlādējamo akumulatoru ilgmūžības noslēpums varētu slēpties atšķirību pieņemšanā. Jauna litija jonu elementu nolietošanās modelēšana atklāj veidu, kā pielāgot uzlādi katra elementa ietilpībai, lai elektrotransportlīdzekļu akumulatori varētu izturēt vairāk uzlādes ciklu un novērst kļūmes.

Pētījums, kas publicēts 5. novembrī žurnālā "Therapeutics of Science".IEEE darījumi par vadības sistēmu tehnoloģiju, parāda, kā aktīva elektriskās strāvas daudzuma pārvaldība, kas plūst uz katru akumulatora elementu, nevis vienmērīga lādiņa padeve, var samazināt nodilumu. Šī pieeja efektīvi ļauj katram elementam nodzīvot savu labāko un visilgāko kalpošanas laiku.

Pēc Stenfordas profesores un vecākās pētījuma autores Simonas Onori teiktā, sākotnējās simulācijas liecina, ka ar jauno tehnoloģiju pārvaldītās baterijas varētu izturēt vismaz par 20 % vairāk uzlādes un izlādes ciklu pat ar biežu ātro uzlādi, kas rada papildu slodzi baterijai.

Lielākā daļa iepriekšējo centienu pagarināt elektroautomobiļu akumulatora darbības laiku ir bijuši vērsti uz atsevišķu elementu dizaina, materiālu un ražošanas uzlabošanu, pamatojoties uz pieņēmumu, ka, tāpat kā ķēdes posmi, akumulatoru bloks ir tikpat labs kā tā vājākā šūna. Jaunais pētījums sākas ar izpratni, ka, lai gan vājie posmi ir neizbēgami – ražošanas nepilnību dēļ un tāpēc, ka daži elementi nolietojas ātrāk nekā citi, pakļaujoties tādiem spriegumiem kā karstums –, tiem nav jāiznīcina visa akumulatora darbība. Galvenais ir pielāgot uzlādes ātrumu katras šūnas unikālajai ietilpībai, lai novērstu kļūmes.

“Ja šī problēma netiek pienācīgi risināta, šūnu savstarpējā neviendabība var apdraudēt akumulatoru bloka ilgmūžību, veselību un drošību, kā arī izraisīt akumulatora bloka agrīnu darbības traucējumu,” sacīja Onori, kurš ir enerģētikas zinātņu inženierzinātņu docents Stenfordas Dēra Ilgtspējības skolā. “Mūsu pieeja izlīdzina enerģiju katrā bloka šūnā, līdzsvaroti nodrošinot visām šūnām galīgo mērķa uzlādes stāvokli un uzlabojot bloka ilgmūžību.”

Iedvesmots miljona jūdžu akumulatora izveidei

Daļa no jaunā pētījuma impulsa sakņojas elektroautomobiļu uzņēmuma Tesla 2020. gada paziņojumā par darbu pie “miljons jūdžu akumulatora”. Tas būtu akumulators, kas spētu darbināt automašīnu 1 miljonu jūdžu vai vairāk (ar regulāru uzlādi), pirms sasniedz punktu, kurā, tāpat kā litija jonu akumulators vecā tālrunī vai klēpjdatorā, elektroautomobiļa akumulatoram ir pārāk maz uzlādes, lai tas būtu funkcionāls.

Šāds akumulators pārsniegtu autoražotāju tipisko elektrotransportlīdzekļu akumulatoru garantiju, kas ir astoņi gadi vai 160 000 km. Lai gan akumulatoru bloki parasti kalpo ilgāk par savu garantiju, patērētāju uzticība elektrotransportlīdzekļiem varētu tikt stiprināta, ja dārgu akumulatoru bloku nomaiņa kļūtu vēl retāka. Akumulators, kas joprojām spēj saglabāt uzlādi pēc tūkstošiem uzlādēšanas reižu, varētu arī atvieglot ceļu tālsatiksmes kravas automašīnu elektrifikācijai un tā saukto transportlīdzekļa un tīkla sistēmu ieviešanai, kurās elektrotransportlīdzekļu akumulatori uzglabātu un nosūtītu atjaunojamo enerģiju elektrotīklam.

“Vēlāk tika paskaidrots, ka miljona jūdžu akumulatora koncepcija patiesībā nebija jauna ķīmija, bet gan tikai veids, kā darbināt akumulatoru, neizmantojot pilnu uzlādes diapazonu,” sacīja Onori. Saistītie pētījumi ir koncentrējušies uz atsevišķām litija jonu šūnām, kas parasti nezaudē uzlādes jaudu tik ātri kā pilni akumulatoru bloki.

Ieintriģēti, Onori un divi pētnieki viņas laboratorijā — pēcdotorantūras pētnieks Vahids Azimi un doktorants Aniruds Allams — nolēma izpētīt, kā esošo akumulatoru veidu izgudrojoša pārvaldība varētu uzlabot pilna akumulatoru bloka, kurā var būt simtiem vai tūkstošiem šūnu, veiktspēju un kalpošanas laiku.

Augstas precizitātes akumulatora modelis

Kā pirmo soli pētnieki izstrādāja augstas precizitātes akumulatora uzvedības datormodeli, kas precīzi attēloja fizikālās un ķīmiskās izmaiņas, kas notiek akumulatora iekšpusē tā darbības laikā. Dažas no šīm izmaiņām notiek dažu sekunžu vai minūšu laikā, citas - mēnešu vai pat gadu laikā.

"Cik mums zināms, nevienā iepriekšējā pētījumā nav izmantots tik precīzs, vairāku laika skalu akumulatora modelis, kādu mēs izveidojām," sacīja Onori, kurš ir Stenfordas Enerģijas kontroles laboratorijas direktors.

Simulāciju veikšana ar modeli liecināja, ka mūsdienīgu akumulatoru bloku var optimizēt un kontrolēt, ņemot vērā atšķirības starp tā sastāvdaļām. Onori un kolēģi paredz, ka viņu modelis turpmākajos gados tiks izmantots, lai vadītu akumulatoru pārvaldības sistēmu izstrādi, kuras varētu viegli ieviest esošajos transportlīdzekļu dizainos.

Ieguvēji ir ne tikai elektriskie transportlīdzekļi. Onori sacīja, ka praktiski jebkura lietojumprogramma, kas "ļoti noslogo akumulatoru bloku", varētu būt labs kandidāts labākai pārvaldībai, pamatojoties uz jaunajiem rezultātiem. Viens piemērs? Droniem līdzīgi lidaparāti ar elektrisku vertikālu pacelšanos un nolaišanos, ko dažreiz sauc par eVTOL, un daži uzņēmēji sagaida, ka tie nākamās desmitgades laikā darbosies kā gaisa taksometri un sniegs citus pilsētu gaisa mobilitātes pakalpojumus. Tomēr vilina arī citi uzlādējamu litija jonu akumulatoru pielietojumi, tostarp vispārējā aviācija un atjaunojamās enerģijas liela mēroga uzglabāšana.

“Litija jonu akumulatori jau ir mainījuši pasauli tik daudzos veidos,” sacīja Onori. “Ir svarīgi, lai mēs iegūtu pēc iespējas vairāk no šīs pārveidojošās tehnoloģijas un tās nākotnes.”