Az újratölthető akkumulátorok hosszú élettartamának titka a különbség elfogadásában rejlik. Az akkumulátorokban lévő lítium-ion cellák lebomlásának új modellezése azt mutatja, hogy a töltés az egyes cellák kapacitásához igazítható, így az elektromos járművek akkumulátorai több töltési ciklust bírnak ki és elkerülhetők a meghibásodások.

A kutatás, amelyet november 5-én tettek közzé a ...IEEE Tranzakciók a Vezérlőrendszerek Technológiájáról, azt mutatja, hogy a csomag egyes celláiba folyó elektromos áram mennyiségének aktív szabályozása a töltés egyenletes leadása helyett hogyan minimalizálhatja a kopást. Ez a megközelítés hatékonyan lehetővé teszi, hogy minden cella a lehető legjobb – és leghosszabb – élettartamát élje.

Simona Onori, a Stanford professzora és a tanulmány vezető szerzője szerint a kezdeti szimulációk azt sugallják, hogy az új technológiával kezelt akkumulátorok legalább 20%-kal több töltési-kisütési ciklust tudnak elviselni, még gyakori gyorstöltés esetén is, ami extra terhelést jelent az akkumulátornak.

Az elektromos autók akkumulátorainak élettartamának meghosszabbítására irányuló korábbi erőfeszítések többsége az egyes cellák tervezésének, anyagainak és gyártásának javítására összpontosított, azon a feltételezésen alapulva, hogy a láncszemekhez hasonlóan egy akkumulátorcsomag is csak annyira jó, mint a leggyengébb cellája. Az új tanulmány azzal a megértéssel kezdődik, hogy bár a gyenge láncszemek elkerülhetetlenek – a gyártási tökéletlenségek és az a tény miatt, hogy egyes cellák gyorsabban lebomlanak, mint mások, mivel olyan igénybevételeknek vannak kitéve, mint a hő –, nem kell, hogy az egész csomagot lerombolják. A kulcs az, hogy a töltési sebességet az egyes cellák egyedi kapacitásához igazítsák, hogy elkerüljék a meghibásodást.

„Ha nem kezelik megfelelően, a cellák közötti heterogenitás veszélyeztetheti az akkumulátorcsomag élettartamát, egészségét és biztonságát, és korai akkumulátorcsomag-meghibásodást okozhat” – mondta Onori, aki a Stanford Doerr Fenntarthatósági Iskola energiatudományi mérnöki adjunktusa. „Megközelítésünk kiegyenlíti az energiát a csomag minden egyes cellájában, kiegyensúlyozott módon hozva az összes cellát a végső célzott töltöttségi állapotba, és javítva a csomag élettartamát.”

Inspiráció egymillió mérföldes akkumulátor építéséhez

Az új kutatás lendületének egy része a Tesla, az elektromos autógyártó cég 2020-as bejelentésére vezethető vissza, miszerint egy „millió mérföldes akkumulátoron” dolgoznak. Ez egy olyan akkumulátor lenne, amely képes lenne egy autót 1 millió mérföldig vagy még tovább működtetni (rendszeres töltéssel), mielőtt elérné azt a pontot, amikor – a régi telefonokban vagy laptopokban található lítium-ion akkumulátorhoz hasonlóan – az elektromos autó akkumulátora túl kevés töltést tárol ahhoz, hogy működőképes legyen.

Egy ilyen akkumulátor meghaladná az autógyártók által az elektromos járművek akkumulátoraira vonatkozó tipikus nyolcéves vagy 160 000 kilométeres garanciát. Bár az akkumulátorok rendszeresen túllépik a garanciális idejüket, az elektromos járművekbe vetett fogyasztói bizalom erősödhetne, ha a drága akkumulátorcserék még ritkábban fordulnának elő. Egy olyan akkumulátor, amely több ezer feltöltés után is képes megtartani a töltést, megkönnyíthetné a távolsági teherautók villamosítását, valamint az úgynevezett járműből a hálózatba rendszerek bevezetését, amelyekben az elektromos járművek akkumulátorai megújuló energiát tárolnának és továbbítanának az elektromos hálózatra.

„Később elmagyarázták, hogy az egymillió mérföldes akkumulátor koncepciója valójában nem egy új kémiai folyamat, hanem csupán egy módja az akkumulátor működtetésének azáltal, hogy nem használja ki a teljes töltési tartományt” – mondta Onori. A kapcsolódó kutatások az egyetlen lítium-ion cellára összpontosítottak, amelyek általában nem veszítik el a töltési kapacitásukat olyan gyorsan, mint a teli akkumulátorok.

Onori és laboratóriumának két kutatója – Vahid Azimi posztdoktori kutató és Anirudh Allam PhD-hallgató – felkeltette az érdeklődését, ezért úgy döntöttek, hogy megvizsgálják, hogyan lehetne a meglévő akkumulátortípusok kreatív kezelésével javítani egy teljes akkumulátorcsomag teljesítményét és élettartamát, amely akár több száz vagy ezer cellát is tartalmazhat.

Nagy pontosságú akkumulátormodell

Első lépésként a kutatók egy nagy pontosságú számítógépes modellt készítettek az akkumulátor viselkedéséről, amely pontosan ábrázolta az akkumulátorban az üzemidő alatt végbemenő fizikai és kémiai változásokat. Ezen változások némelyike ​​másodpercek vagy percek alatt lezajlik – mások hónapok vagy akár évek alatt.

„Tudomásunk szerint egyetlen korábbi tanulmány sem használta az általunk létrehozott nagy pontosságú, többszörös időskálájú akkumulátormodellt” – mondta Onori, a Stanford Energia Szabályozási Laboratórium igazgatója.

A modellel végzett szimulációk azt sugallták, hogy egy modern akkumulátorcsomag optimalizálható és vezérelhető az alkotóelemei közötti különbségek figyelembevételével. Onori és kollégái úgy vélik, hogy modelljük az elkövetkező években az akkumulátorkezelő rendszerek fejlesztésének útmutatójaként szolgálhat, amelyek könnyen beépíthetők a meglévő járműtervekbe.

Nem csak az elektromos járművek profitálhatnak ebből. Onori szerint gyakorlatilag minden olyan alkalmazás, amely „nagyon megterheli az akkumulátorcsomagot”, jó jelölt lehet a jobb irányításra az új eredmények ismeretében. Egy példa erre? Az elektromos függőleges felszállással és leszállással rendelkező, drónszerű repülőgépek, amelyeket néha eVTOL-nak is neveznek, és amelyekről egyes vállalkozók azt várják, hogy légi taxiként működnek majd, és más városi légi mobilitási szolgáltatásokat nyújtanak majd a következő évtizedben. Az újratölthető lítium-ion akkumulátorok más alkalmazásai is vonzóak, beleértve az általános repülést és a megújuló energia nagymértékű tárolását.

„A lítium-ion akkumulátorok már oly sok szempontból megváltoztatták a világot” – mondta Onori. „Fontos, hogy a lehető legtöbbet hozzuk ki ebből az átalakító technológiából és a jövőbeli utódaiból.”