הסוד לחיי סוללה נטענת ארוכים עשוי להיות טמון בחיבוק של השוני. מודלים חדשים של אופן ההתפרקות של תאי ליתיום-יון בחבילה מראים דרך להתאים את הטעינה לקיבולת של כל תא, כך שסוללות רכב חשמלי 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 הזורמת לכל תא בחבילה, במקום אספקת מטען באופן אחיד, יכול למזער בלאי. הגישה מאפשרת למעשה לכל תא לחיות את חייו הטובים ביותר - והארוכים ביותר.

לדברי פרופסור סימונה אונורי מסטנפורד ומחברת המחקר הבכירה, סימולציות ראשוניות מצביעות על כך שסוללות המנוהלות באמצעות הטכנולוגיה החדשה יוכלו 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 סוללות של מכוניות חשמליות התמקדו בשיפור התכנון, החומרים והייצור של תאים בודדים, בהתבסס על ההנחה שכמו חוליות בשרשרת, חבילת סוללות טובה רק כמו התא החלש ביותר שלה. המחקר החדש מתחיל בהבנה שבעוד שחוליות חלשות הן בלתי נמנעות - בגלל פגמים בייצור ומכיוון שתאים מסוימים מתכלים מהר יותר מאחרים כשהם נחשפים ללחצים כמו חום - הן אינן חייבות להפיל את כל החבילה. המפתח הוא להתאים את קצב הטעינה ליכולת הייחודית של כל תא כדי למנוע כשל.

"אם לא מטפלים בהן כראוי, הטרוגניות בין תאים עלולה לפגוע באורך החיים, בבריאות ובבטיחות של חבילת סוללות ולגרום לתקלה מוקדמת בחבילת הסוללות", אמר אונורי, שהוא פרופסור עוזר להנדסת מדעי האנרגיה בבית הספר לקיימות סטנפורד דור. "הגישה שלנו משווה את האנרגיה בכל תא בחבילה, מביאה את כל התאים למצב הטעינה הסופי המיועד 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 הרכבים החשמליים, על עבודה על "סוללה של מיליון מייל". זוהי סוללה המסוגלת להפעיל מכונית למשך מיליון מייל או יותר (עם טעינה רגילה) לפני שתגיע לנקודה שבה, כמו סוללת ליתיום-יון בטלפון או במחשב נייד ישנים, סוללת הרכב החשמלי מחזיקה מעט מדי מטען כדי להיות תקינה.

סוללה כזו תעלה על האחריות הטיפוסית של יצרני רכב לסוללות רכב חשמליות, העומדת על שמונה שנים או 160,000 ק"מ. למרות שחבילות סוללות מחזיקות מעמד באופן קבוע מעבר לתקופת האחריות שלהן, אמון הצרכנים בכלי רכב חשמליים עשוי להתחזק אם החלפות יקרות של סוללות יהפכו לנדירות עוד יותר. סוללה שיכולה עדיין להחזיק טעינה לאחר אלפי טעינות עשויה גם להקל על הדרך לחשמול משאיות ארוכות טווח, ולאימוץ של מערכות "רכב לרשת", שבהן סוללות רכב חשמלי יאגרו וישלחו אנרגיה מתחדשת לרשת החשמל.

"מאוחר יותר הוסבר כי מושג הסוללה של מיליון המייל אינו באמת כימיה חדשה, אלא רק דרך להפעיל את הסוללה בכך שלא לגרום לה להשתמש בטווח הטעינה המלא", אמר אונורי. מחקרים קשורים התמקדו בתאי ליתיום-יון בודדים, שבדרך כלל אינם מאבדים קיבולת טעינה מהר כמו חבילות סוללות מלאות.

אונורי ושני חוקרים במעבדתה - חוקר הפוסט-דוקטורט ואהיד אזימי והדוקטורנט אנירוד עלאם - היו מסוקרנים, והחליטו לחקור כיצד ניהול חדשני של סוגי סוללות קיימים יכול לשפר את הביצועים ואת חיי השירות של חבילת סוללות מלאה, שעשויה להכיל מאות או אלפי תאים.

דגם סוללה באיכות גבוהה

כצעד ראשון, החוקרים יצרו מודל ממוחשב באיכות גבוהה של התנהגות סוללה, אשר ייצג במדויק את השינויים הפיזיקליים והכימיים המתרחשים בתוך סוללה במהלך חייה הפעילים. חלק מהשינויים הללו מתרחשים תוך שניות או דקות - אחרים במשך חודשים או אפילו שנים.

"למיטב ידיעתנו, אף מחקר קודם לא השתמש במודל סוללה רב-תחומי, באיכות גבוהה ובעל מגוון רחב של זמנים, שיצרנו", אמר אונורי, מנהל מעבדת בקרת האנרגיה של סטנפורד.

הרצת סימולציות עם המודל הציעה שניתן לייעל ולשלוט על חבילת סוללות מודרנית על ידי אימוץ ההבדלים בין התאים המרכיבים אותה. אונורי ועמיתיו צופים שהמודל שלהם ישמש להנחיית פיתוח מערכות ניהול סוללות בשנים הקרובות, שניתן לפרוס בקלות בעיצובי רכב קיימים.

לא רק כלי רכב חשמליים מרוויחים. כמעט כל יישום ש"מפעיל לחץ רב על חבילת הסוללות" יכול להיות מועמד טוב לניהול טוב יותר בהתבסס על התוצאות החדשות, אמר אונורי. דוגמה אחת? כלי טיס דמויי רחפן עם המראה ונחיתה אנכית חשמלית, המכונים לעתים eVTOL, אשר חלק מהיזמים מצפים שיפעלו כמוניות אוויר ויספקו שירותי ניידות אווירית עירונית אחרים בעשור הקרוב. עם 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 במובנים רבים", אמר אונורי. "חשוב שנפיק כמה שיותר מהטכנולוגיה הטרנספורמטיבית הזו ומיורשיה הבאים."