הסוד לחיים ארוכים של סוללות נטענות עשוי להיות טמון בחיבוק של השונה.מודל חדש של האופן שבו תאי ליתיום-יון במארז מתכלים מראה דרך להתאים את הטעינה לקיבולת של כל תא, כך שסוללות EV יוכלו להתמודד עם יותר מחזורי טעינה ולמנוע כשל.

המחקר, שפורסם ב-5 בנובמבר בעסקאות IEEE על טכנולוגיית מערכות בקרה, מראה כיצד ניהול אקטיבי של כמות הזרם החשמלי הזורם לכל תא בחבילה, במקום לספק מטען בצורה אחידה, יכול למזער את הבלאי.הגישה למעשה מאפשרת לכל תא לחיות את חייו הטובים ביותר - והארוכים ביותר.

לדברי פרופסור סטנפורד ומחברת המחקר הבכירה סימונה אונורי, סימולציות ראשוניות מצביעות על כך שסוללות המנוהלות בטכנולוגיה החדשה יכולות להתמודד עם לפחות 20% יותר מחזורי טעינה-פריקה, אפילו עם טעינה מהירה תכופה, מה שמפעיל עומס נוסף על הסוללה.

רוב המאמצים הקודמים להאריך את חיי הסוללה של המכונית החשמלית התמקדו בשיפור העיצוב, החומרים והייצור של תאים בודדים, בהתבסס על ההנחה שכמו חוליות בשרשרת, ערכת סוללות טובה רק כמו התא החלש שלה.המחקר החדש מתחיל בהבנה שלמרות שחוליות חלשות הן בלתי נמנעות - בגלל פגמים בייצור ובגלל שתאים מסוימים מתכלים מהר יותר מאחרים כשהם נחשפים ללחצים כמו חום - הם לא צריכים להוריד את כל החבילה.המפתח הוא להתאים את תעריפי הטעינה ליכולת הייחודית של כל תא כדי למנוע כשל.

"אם לא מטפלים כראוי, הטרוגניות בין תא לתא עלולה לסכן את אורך החיים, הבריאות והבטיחות של ערכת סוללות ולגרום לתקלה מוקדמת של ערכת הסוללות", אמר אונורי, שהוא עוזר פרופסור להנדסת מדעי האנרגיה בסטנפורד דואר בית ספר לקיימות."הגישה שלנו משווה את האנרגיה בכל תא בחבילה, מביאה את כל התאים למצב הטעינה הממוקד הסופי בצורה מאוזנת ומשפרת את אורך החיים של החבילה."

בהשראת בניית סוללה של מיליון מייל

חלק מהדחף למחקר החדש נובע מהכרזה משנת 2020 של טסלה, חברת המכוניות החשמליות, על עבודה על "סוללה של מיליון מייל".זו תהיה סוללה שמסוגלת להניע מכונית ל-1 מיליון מייל או יותר (עם טעינה רגילה) לפני שתגיע לנקודה שבה, כמו סוללת הליתיום-יון בטלפון או מחשב נייד ישן, הסוללה של ה-EV מחזיקה מעט מדי טעינה מכדי להיות פונקציונלית. .

סוללה כזו תחרוג מהאחריות הטיפוסית של יצרני הרכב לסוללות רכב חשמלי של שמונה שנים או 100,000 מיילים.למרות שחבילות סוללות מחזיקות מעמד באופן שגרתי מהאחריות שלהן, אמון הצרכנים בכלי רכב חשמליים יכול להתחזק אם החלפות סוללות יקרות יהפכו נדירות יותר.סוללה שעדיין יכולה להחזיק טעינה לאחר אלפי טעינות יכולה גם להקל את הדרך לחשמול משאיות ארוכות טווח, ולאימוץ מערכות המכונות רכב-לרשת, שבהן סוללות EV יאחסנו וישגרו אנרגיה מתחדשת עבור רשת החשמל.

"מאוחר יותר הוסבר שתפיסת הסוללה של מיליון מייל לא הייתה באמת כימיה חדשה, אלא רק דרך להפעיל את הסוללה בכך שהיא לא תשתמש בטווח הטעינה המלא", אמר אונורי.מחקרים קשורים התרכזו בתאי ליתיום-יון בודדים, שבדרך כלל אינם מאבדים קיבולת טעינה במהירות כמו חבילות סוללות מלאות.

בהסתקרנות, אונורי ושני חוקרים במעבדתה - הפוסט-דוקטורנט והיד אזימי והסטודנטית לדוקטורט Anirudh Allam - החליטו לחקור כיצד ניהול המצאתי של סוגי סוללות קיימים יכול לשפר את הביצועים ואת חיי השירות של ערכת סוללות מלאה, שעשויה להכיל מאות או אלפי תאים. .

דגם סוללה באיכות גבוהה

כצעד ראשון, החוקרים יצרו מודל מחשב בעל נאמנות גבוהה של התנהגות סוללה המייצגת במדויק את השינויים הפיזיקליים והכימיים המתרחשים בתוך הסוללה במהלך חייה התפעוליים.חלק מהשינויים הללו מתפתחים תוך שניות או דקות - אחרים לאורך חודשים או אפילו שנים.

"למיטב ידיעתנו, אף מחקר קודם לא השתמש בסוג של מודל סוללה בקנה מידה רב-זמני שיצרנו", אמר אונורי, מנהל מעבדת בקרת האנרגיה של סטנפורד.

הפעלת סימולציות עם המודל העלתה שניתן לייעל ולבקר ערכת סוללות מודרנית על ידי אימוץ ההבדלים בין התאים המרכיבים אותה.Onori ועמיתיו מדמיינים את המודל שלהם שישמש להנחיית פיתוח מערכות ניהול סוללות בשנים הקרובות שניתן לפרוס בקלות בתכנוני רכב קיימים.

לא רק כלי רכב חשמליים יכולים להועיל.כמעט כל אפליקציה ש"מלחיץ מאוד את ערכת הסוללה" יכולה להיות מועמדת טובה לניהול טוב יותר בהתבסס על התוצאות החדשות, אמר אונורי.דוגמא אחת?מטוס דמוי מזל"ט עם המראה ונחיתה אנכיים חשמליים, הנקראים לפעמים eVTOL, אשר חלק מהיזמים מצפים שיפעלו כמוניות אוויריות ויספקו שירותי ניידות אווירית עירונית אחרים במהלך העשור הבא.ובכל זאת, יישומים אחרים לסוללות ליתיום-יון נטענות קורצים, כולל תעופה כללית ואחסון בקנה מידה גדול של אנרגיה מתחדשת.

"סוללות ליתיום-יון כבר שינו את העולם בכל כך הרבה דרכים", אמר אונורי."חשוב שנפיק כמה שיותר מהטכנולוגיה הטרנספורמטיבית הזו ומממשיכיה לבוא."