راز عمر طولانی باتری های قابل شارژ ممکن است در آغوش تفاوت ها نهفته باشد.مدل‌سازی جدید چگونگی تخریب سلول‌های لیتیوم یونی در یک بسته، راهی را برای تنظیم شارژ با ظرفیت هر سلول نشان می‌دهد تا باتری‌های EV بتوانند چرخه‌های شارژ بیشتری را مدیریت کنند و از خرابی جلوگیری کنند.

این تحقیق در 5 نوامبر منتشر شدمعاملات IEEE در فناوری سیستم های کنترل، نشان می دهد که چگونه مدیریت فعال مقدار جریان الکتریکی که به هر سلول در یک بسته می گذرد، به جای تحویل یکنواخت بار، می تواند سایش و پارگی را به حداقل برساند.این رویکرد به طور موثر به هر سلول اجازه می دهد بهترین و طولانی ترین عمر خود را داشته باشد.

به گفته سیمونا اونوری، استاد دانشگاه استنفورد و نویسنده ارشد این مطالعه، شبیه‌سازی‌های اولیه نشان می‌دهد باتری‌هایی که با فناوری جدید مدیریت می‌شوند، می‌توانند حداقل 20 درصد چرخه‌های شارژ-دشارژ بیشتری را تحمل کنند، حتی با شارژ سریع مکرر، که فشار بیشتری به باتری وارد می‌کند.

بیشتر تلاش‌های قبلی برای افزایش عمر باتری خودروهای برقی بر بهبود طراحی، مواد و ساخت سلول‌های تک متمرکز بوده است، بر این فرض که بسته باتری مانند حلقه‌های یک زنجیر، تنها به خوبی ضعیف‌ترین سلول خود است.مطالعه جدید با درک این موضوع آغاز می‌شود که اگرچه پیوندهای ضعیف اجتناب‌ناپذیر هستند – به دلیل نقص‌های ساخت و به دلیل اینکه برخی سلول‌ها سریع‌تر از سایرین تخریب می‌شوند زیرا در معرض تنش‌هایی مانند گرما قرار می‌گیرند، نیازی نیست که کل بسته را از بین ببرند.نکته کلیدی این است که نرخ شارژ را با ظرفیت منحصر به فرد هر سلول تنظیم کنید تا از خرابی جلوگیری شود.

اونوری که استادیار مهندسی علوم انرژی در دانشگاه استنفورد دوئر است، گفت: «اگر به درستی مقابله نشود، ناهمگونی‌های سلول به سلول می‌تواند طول عمر، سلامت و ایمنی یک بسته باتری را به خطر بیندازد و باعث خرابی اولیه بسته باتری شود. مدرسه پایداری"رویکرد ما انرژی هر سلول در بسته را برابر می‌کند و تمام سلول‌ها را به حالت متعادل به وضعیت نهایی هدفمند می‌رساند و طول عمر بسته را بهبود می‌بخشد."

الهام گرفته شده برای ساخت باتری میلیون مایلی

بخشی از انگیزه تحقیقات جدید به اعلامیه سال 2020 توسط تسلا، شرکت خودروهای الکتریکی، درباره کار بر روی یک باتری میلیون مایلی بازمی گردد.این یک باتری است که می تواند یک ماشین را برای مسافت 1 میلیون مایل یا بیشتر (با شارژ معمولی) تغذیه کند، قبل از رسیدن به نقطه ای که مانند باتری لیتیوم یونی در یک تلفن یا لپ تاپ قدیمی، باتری EV شارژ بسیار کمی را نگه می دارد تا کارایی داشته باشد. .

چنین باتری از گارانتی معمول خودروسازان برای باتری های خودروهای الکتریکی هشت ساله یا 100000 مایلی فراتر خواهد رفت.اگرچه بسته‌های باتری معمولاً از گارانتی خود بیشتر می‌مانند، اما اگر تعویض بسته‌های باتری گران قیمت همچنان نادرتر شود، اعتماد مصرف‌کنندگان به خودروهای الکتریکی می‌تواند تقویت شود.باتری‌ای که پس از هزاران بار شارژ همچنان می‌تواند شارژ نگه دارد، می‌تواند راه را برای برقی‌سازی کامیون‌های مسافت طولانی و به‌کارگیری سیستم‌های به اصطلاح خودرو به شبکه، که در آن باتری‌های EV انرژی‌های تجدیدپذیر را ذخیره و ارسال می‌کنند، آسان کند. شبکه برق

اونوری گفت: «بعدها توضیح داده شد که مفهوم باتری میلیون مایلی واقعاً یک شیمی جدید نیست، بلکه فقط راهی برای کارکرد باتری با عدم استفاده از محدوده شارژ کامل است.تحقیقات مرتبط بر روی سلول‌های تک لیتیوم یون متمرکز شده است، که معمولاً ظرفیت شارژ را به سرعت بسته‌های باتری کامل از دست نمی‌دهند.

اونوری و دو محقق در آزمایشگاهش - محقق فوق دکتری وحید عظیمی و دانشجوی دکتری انیرود علام - که شیفته بودند، تصمیم گرفتند بررسی کنند که چگونه مدیریت خلاقانه انواع باتری های موجود می تواند عملکرد و عمر مفید یک بسته باتری کامل را که ممکن است حاوی صدها یا هزاران سلول باشد، بهبود بخشد. .

یک مدل باتری با کیفیت بالا

به عنوان اولین قدم، محققان یک مدل کامپیوتری با وفاداری بالا از رفتار باتری ساختند که به طور دقیق تغییرات فیزیکی و شیمیایی را که در یک باتری در طول عمر عملیاتی آن رخ می دهد، نشان می داد.برخی از این تغییرات در عرض چند ثانیه یا چند دقیقه آشکار می شوند - برخی دیگر در طول ماه ها یا حتی سال ها.

اونوری، مدیر آزمایشگاه کنترل انرژی استانفورد، گفت: «تا جایی که ما می دانیم، هیچ مطالعه قبلی از مدل باتری با کیفیت بالا و چند مقیاسی که ما ایجاد کردیم استفاده نکرده است.

شبیه‌سازی‌های در حال اجرا با این مدل نشان می‌دهد که یک بسته باتری مدرن را می‌توان با پذیرش تفاوت‌های میان سلول‌های سازنده آن بهینه‌سازی و کنترل کرد.Onori و همکارانش تصور می‌کنند که مدل آنها برای هدایت توسعه سیستم‌های مدیریت باتری در سال‌های آینده مورد استفاده قرار می‌گیرد که می‌توانند به راحتی در طرح‌های موجود خودرو به کار گرفته شوند.

این فقط وسایل نقلیه الکتریکی نیستند که سود می برند.اونوری گفت، تقریباً هر برنامه‌ای که «به بسته باتری فشار زیادی وارد می‌کند» می‌تواند کاندیدای خوبی برای مدیریت بهتر با اطلاع از نتایج جدید باشد.یک مثال؟هواپیماهای پهپاد مانند با برخاست و فرود عمودی الکتریکی، که گاهی اوقات eVTOL نامیده می‌شود، که برخی از کارآفرینان انتظار دارند در دهه آینده به عنوان تاکسی هوایی کار کنند و سایر خدمات حمل و نقل هوایی شهری را ارائه دهند.با این حال، کاربردهای دیگر برای باتری‌های لیتیوم یون قابل شارژ، از جمله حمل و نقل عمومی و ذخیره‌سازی انرژی تجدیدپذیر در مقیاس بزرگ وجود دارد.

اونوری گفت: «باتری‌های لیتیوم یونی در حال حاضر دنیا را به طرق مختلف تغییر داده‌اند.مهم این است که تا جایی که می توانیم از این فناوری تحول آفرین و جانشینان آن در آینده بهره ببریم.»