El secret de la llarga vida de les bateries recarregables pot estar en una abraçada de diferència.El nou modelatge de com es degraden les cèl·lules d'ions de liti d'un paquet mostra una manera d'adaptar la càrrega a la capacitat de cada cèl·lula perquè les bateries EV puguin gestionar més cicles de càrrega i evitar fallades.

La investigació, publicada el 5 de novembre aTransaccions IEEE sobre tecnologia de sistemes de control, mostra com la gestió activa de la quantitat de corrent elèctric que flueix a cada cel·la d'un paquet, en lloc de lliurar la càrrega de manera uniforme, pot minimitzar el desgast.L'enfocament permet que cada cèl·lula visqui la seva millor i més llarga vida.

Segons la professora de Stanford i autora principal de l'estudi, Simona Onori, les simulacions inicials suggereixen que les bateries gestionades amb la nova tecnologia podrien suportar almenys un 20% més de cicles de càrrega i descàrrega, fins i tot amb una càrrega ràpida freqüent, la qual cosa suposa una tensió addicional a la bateria.

La majoria dels esforços anteriors per allargar la vida de la bateria del cotxe elèctric s'han centrat a millorar el disseny, els materials i la fabricació de cèl·lules individuals, basant-se en la premissa que, com els enllaços d'una cadena, una bateria només és tan bona com la seva cel·la més feble.El nou estudi comença amb la comprensió que, tot i que els enllaços febles són inevitables, a causa de les imperfeccions de fabricació i perquè algunes cèl·lules es degraden més ràpidament que d'altres, ja que estan exposades a tensions com la calor, no cal que facin caure tot el paquet.La clau és adaptar les taxes de càrrega a la capacitat única de cada cèl·lula per evitar fallades.

"Si no s'aborden correctament, les heterogeneïtats de cèl·lula a cèl·lula poden comprometre la longevitat, la salut i la seguretat d'una bateria i induir un mal funcionament precoç de la bateria", va dir Onori, que és professor ajudant d'enginyeria de ciències de l'energia a Stanford Doerr. Escola de Sostenibilitat."El nostre enfocament iguala l'energia de cada cèl·lula del paquet, portant totes les cèl·lules a l'estat de càrrega objectiu final d'una manera equilibrada i millorant la longevitat del paquet".

Inspirat per construir una bateria d'un milió de milles

Part de l'impuls de la nova investigació es remunta a un anunci del 2020 de Tesla, l'empresa de cotxes elèctrics, de treballar en una "bateria d'un milió de milles".Aquesta seria una bateria capaç d'alimentar un cotxe durant 1 milió de milles o més (amb càrrega regular) abans d'arribar al punt on, com la bateria d'ions de liti d'un telèfon o un ordinador portàtil antics, la bateria de l'EV té massa poca càrrega per ser funcional. .

Aquesta bateria superaria la garantia típica dels fabricants d'automòbils per a bateries de vehicles elèctrics de vuit anys o 100.000 milles.Tot i que els paquets de bateries perduren habitualment la seva garantia, la confiança dels consumidors en els vehicles elèctrics es podria reforçar si els reemplaçaments de bateries cars encara fossin més rars.Una bateria que encara pugui mantenir una càrrega després de milers de recàrregues també podria facilitar el camí per a l'electrificació de camions de llarg recorregut i per a l'adopció dels anomenats sistemes vehicle-to-grid, en què les bateries dels vehicles elèctrics emmagatzemarien i enviarien energia renovable per la xarxa elèctrica.

"Més tard es va explicar que el concepte de bateria d'un milió de milles no era realment una química nova, sinó només una manera d'utilitzar la bateria no fent-la utilitzar el rang de càrrega complet", va dir Onori.La investigació relacionada s'ha centrat en cèl·lules d'ions de liti individuals, que generalment no perden la capacitat de càrrega tan ràpidament com ho fan les bateries completes.

Intrigats, Onori i dos investigadors del seu laboratori, l'estudiós postdoctoral Vahid Azimi i l'estudiant de doctorat Anirudh Allam, van decidir investigar com la gestió inventiva dels tipus de bateries existents podria millorar el rendiment i la vida útil d'una bateria completa, que pot contenir centenars o milers de cèl·lules. .

Un model de bateria d'alta fidelitat

Com a primer pas, els investigadors van crear un model informàtic d'alta fidelitat del comportament de la bateria que representava amb precisió els canvis físics i químics que tenen lloc dins d'una bateria durant la seva vida operativa.Alguns d'aquests canvis es desenvolupen en qüestió de segons o minuts, d'altres durant mesos o fins i tot anys.

"Segons el que sabem, cap estudi anterior ha utilitzat el tipus de model de bateria d'alta fidelitat i multiescala de temps que vam crear", va dir Onori, que és director del Stanford Energy Control Lab.

L'execució de simulacions amb el model va suggerir que es pot optimitzar i controlar un paquet de bateries modern adoptant les diferències entre les seves cèl·lules constitutives.Onori i els seus col·legues preveuen que el seu model s'utilitzi per guiar el desenvolupament de sistemes de gestió de bateries en els propers anys que es puguin desplegar fàcilment en dissenys de vehicles existents.

No només els vehicles elèctrics es beneficien.Pràcticament qualsevol aplicació que "estressa molt la bateria" podria ser un bon candidat per a una millor gestió informada pels nous resultats, va dir Onori.Un exemple?Avions semblants a drons amb enlairament i aterratge verticals elèctrics, de vegades anomenats eVTOL, que alguns empresaris esperen operar com a taxis aeris i oferir altres serveis de mobilitat aèria urbana durant la propera dècada.Tot i així, hi ha altres aplicacions per a bateries recarregables d'ions de liti, com ara l'aviació general i l'emmagatzematge a gran escala d'energia renovable.

"Les bateries d'ió de liti ja han canviat el món de moltes maneres", va dir Onori."És important que traguem tot el que puguem d'aquesta tecnologia transformadora i els seus successors".