El secret d'una llarga vida útil de les bateries recarregables pot raure en abraçar la diferència. Els nous models de com es degraden les cel·les d'ions de liti d'un paquet mostren una manera d'adaptar la càrrega a la capacitat de cada cel·la, de manera que les bateries dels vehicles elèctrics puguin gestionar més cicles de càrrega i evitar fallades.

La investigació, publicada el 5 de novembre aTransaccions de l'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 subministrar càrrega uniformement, pot minimitzar el desgast. L'enfocament permet que cada cel·la visqui la seva millor vida (i la més llarga).

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-descàrrega, fins i tot amb càrregues ràpides freqüents, cosa que suposa una tensió addicional per a la bateria.

La majoria dels esforços anteriors per allargar la vida útil de la bateria dels cotxes elèctrics s'han centrat en millorar el disseny, els materials i la fabricació de cel·les 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, si bé els enllaços febles són inevitables –a causa de les imperfeccions de fabricació i perquè algunes cel·les es degraden més ràpidament que d'altres a mesura que estan exposades a tensions com la calor–, no cal que deteriorin tot el paquet. La clau és adaptar les taxes de càrrega a la capacitat única de cada cel·la per evitar fallades.

«Si no s'aborden adequadament, les heterogeneïtats entre cèl·lules poden comprometre la longevitat, la salut i la seguretat d'una bateria i induir un mal funcionament prematur de la bateria», va dir Onori, professor assistent d'enginyeria energètica a la Stanford Doerr School of Sustainability. «El nostre enfocament iguala l'energia de cada cel·la de la bateria, portant totes les cel·les a l'estat de càrrega final desitjat de manera equilibrada i millorant la longevitat de la bateria».

Inspirat per construir una bateria d'un milió de milles

Part de l'impuls per a la nova investigació es remunta a un anunci del 2020 de Tesla, l'empresa de cotxes elèctrics, sobre el treball 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 normal) abans d'arribar al punt en què, com la bateria d'ions de liti d'un telèfon o portàtil antic, la bateria del vehicle elèctric té massa poca càrrega per ser funcional.

Una bateria d'aquest tipus superaria la garantia típica dels fabricants d'automòbils per a les bateries de vehicles elèctrics de vuit anys o 160.000 quilòmetres. Tot i que les bateries solen durar més que la seva garantia, la confiança dels consumidors en els vehicles elèctrics podria reforçar-se si les substitucions de bateries cares es fessin encara més rares. Una bateria que encara pugui mantenir la càrrega després de milers de recàrregues també podria facilitar el camí per a l'electrificació dels camions de llarga distància i per a l'adopció dels anomenats sistemes vehicle-a-xarxa, en què les bateries dels vehicles elèctrics emmagatzemarien i enviarien energia renovable a 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 de fer funcionar la bateria sense fer-la utilitzar tot el rang de càrrega», va dir Onori. La recerca relacionada s'ha centrat en cel·les individuals de ions de liti, que generalment no perden la capacitat de càrrega tan ràpidament com les bateries plenes.

Intrigada, Onori i dos investigadors del seu laboratori (el postdoctoral Vahid Azimi i l'estudiant de doctorat Anirudh Allam) van decidir investigar com la gestió creativa dels tipus de bateries existents podria millorar el rendiment i la vida útil d'un paquet de bateries complet, que pot contenir centenars o milers de cel·les.

Un model de bateria d'alta fidelitat

Com a primer pas, els investigadors van elaborar 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 útil. Alguns d'aquests canvis es desenvolupen en qüestió de segons o minuts, i altres al llarg de mesos o fins i tot anys.

«Segons el nostre coneixement, cap estudi previ ha utilitzat el tipus de model de bateria d'alta fidelitat i multiescala temporal que hem creat», va dir Onori, director del Laboratori de Control d'Energia de Stanford.

L'execució de simulacions amb el model va suggerir que una bateria moderna es pot optimitzar i controlar acceptant les diferències entre les cel·les que la constitueixen. Onori i els seus col·legues preveuen que el seu model s'utilitzarà per guiar el desenvolupament de sistemes de gestió de bateries en els propers anys que es puguin implementar fàcilment en dissenys de vehicles existents.

No només els vehicles elèctrics se'n poden beneficiar. Pràcticament qualsevol aplicació que "soporti molt la bateria" podria ser una bona candidata per a una millor gestió basada en els nous resultats, va dir Onori. Un exemple? Avions tipus dron amb enlairament i aterratge vertical elèctric, de vegades anomenats eVTOL, que alguns emprenedors esperen que funcionin com a taxis aeris i proporcionin altres serveis de mobilitat aèria urbana durant la propera dècada. Tot i això, altres aplicacions per a bateries recarregables de ions de liti criden l'atenció, com ara l'aviació general i l'emmagatzematge a gran escala d'energies renovables.

«Les bateries d'ions de liti ja han canviat el món de moltes maneres», va dir Onori. «És important que aprofitem al màxim aquesta tecnologia transformadora i les seves successores futures».