O segredo para unha longa vida útil das baterías recargables pode estar nun abrazo da diferenza.O novo modelado de como se degradan as células de ión-litio nun paquete mostra unha forma de adaptar a carga á capacidade de cada cela para que as baterías de vehículos eléctricos poidan manexar máis ciclos de carga e evitar fallos.

A investigación, publicada o 5 de novembro enIEEE Transactions on Control Systems Technology, mostra como xestionar activamente a cantidade de corrente eléctrica que flúe a cada cela dun paquete, en lugar de entregar a carga uniformemente, pode minimizar o desgaste.O enfoque permite que cada célula viva a súa mellor e máis longa vida.

Segundo a profesora de Stanford e autora principal do estudo Simona Onori, as simulacións iniciais suxiren que as baterías xestionadas coa nova tecnoloxía poderían soportar polo menos un 20% máis de ciclos de carga-descarga, mesmo con cargas rápidas frecuentes, o que supón unha tensión adicional na batería.

A maioría dos esforzos anteriores para prolongar a vida útil da batería dos coches eléctricos centráronse en mellorar o deseño, os materiais e a fabricación de celas simples, baseándose na premisa de que, como os elos dunha cadea, unha batería só é tan boa como a súa cela máis débil.O novo estudo comeza coa comprensión de que, aínda que os enlaces débiles son inevitables, debido ás imperfeccións de fabricación e porque algunhas células se degradan máis rápido que outras xa que están expostas a estrés como a calor, non precisan derrubar todo o paquete.A clave é adaptar as taxas de carga á capacidade única de cada cela para evitar fallos.

"Se non se abordan adecuadamente, as heteroxeneidades de célula a célula poden comprometer a lonxevidade, a saúde e a seguridade dunha batería e provocar un mal funcionamento precoz da batería", dixo Onori, que é profesor asistente de enxeñaría en ciencias da enerxía no Stanford Doerr. Escola de Sostibilidade."O noso enfoque iguala a enerxía en cada célula do paquete, levando todas as células ao estado de carga obxectivo final dun xeito equilibrado e mellorando a lonxevidade do paquete".

Inspirado para construír unha batería de un millón de millas

Parte do impulso para a nova investigación remóntase a un anuncio de 2020 por parte de Tesla, a compañía de automóbiles eléctricos, de traballar nunha "batería dun millón de millas".Esta sería unha batería capaz de alimentar un coche durante 1 millón de millas ou máis (con carga regular) antes de chegar ao punto no que, como a batería de iones de litio dun teléfono ou portátil antigo, a batería do EV contén moi pouca carga para ser funcional. .

Tal batería excedería a garantía típica dos fabricantes de vehículos eléctricos de oito anos ou 100.000 millas.Aínda que os paquetes de baterías superan habitualmente a súa garantía, a confianza dos consumidores nos vehículos eléctricos podería reforzarse se as substitucións caras de baterías se volvesen aínda máis raras.Unha batería que aínda pode manter unha carga despois de miles de recargas tamén podería facilitar o camiño para a electrificación de camións de longo percorrido e para a adopción dos chamados sistemas de vehículo á rede, nos que as baterías de vehículos eléctricos almacenarían e enviarían enerxía renovable para a rede eléctrica.

"Máis tarde explicouse que o concepto de batería dun millón de millas non era realmente unha química nova, senón só un xeito de operar a batería ao non facer que use o rango de carga completo", dixo Onori.As investigacións relacionadas centráronse en células de ión-litio únicas, que xeralmente non perden a capacidade de carga tan rápido como as baterías completas.

Intrigados, Onori e dous investigadores do seu laboratorio - o estudoso posdoutoral Vahid Azimi e o estudante de doutoramento Anirudh Allam - decidiron investigar como a xestión inventiva dos tipos de batería existentes podería mellorar o rendemento e a vida útil dunha batería completa, que pode conter centos ou miles de células. .

Un modelo de batería de alta fidelidade

Como primeiro paso, os investigadores elaboraron un modelo informático de alta fidelidade do comportamento da batería que representaba con precisión os cambios físicos e químicos que teñen lugar dentro dunha batería durante a súa vida útil.Algúns destes cambios desenvólvense en cuestión de segundos ou minutos; outros durante meses ou incluso anos.

"Polo que sabemos, ningún estudo anterior utilizou o tipo de modelo de batería de alta fidelidade e multiescala de tempo que creamos", dixo Onori, que é director do Laboratorio de Control de Enerxía de Stanford.

A realización de simulacións co modelo suxeriu que unha batería moderna pode optimizarse e controlarse asumindo as diferenzas entre as súas células constituíntes.Onori e os seus compañeiros prevén que o seu modelo se use para guiar o desenvolvemento de sistemas de xestión de baterías nos próximos anos que se poidan implementar facilmente nos deseños de vehículos existentes.

Non son só os vehículos eléctricos os que se benefician.Practicamente calquera aplicación que "estrese moito a batería" podería ser un bo candidato para unha mellor xestión informada polos novos resultados, dixo Onori.Un exemplo?Avión tipo dron con despegue e aterraxe vertical eléctrico, ás veces chamado eVTOL, que algúns empresarios esperan operar como taxis aéreos e proporcionar outros servizos de mobilidade aérea urbana durante a próxima década.Aínda así, outras aplicacións para baterías de iones de litio recargables son acendas, incluíndo a aviación xeral e o almacenamento a gran escala de enerxías renovables.

"As baterías de ión-litio xa cambiaron o mundo de moitas maneiras", dixo Onori."É importante que saquemos todo o que poidamos desta tecnoloxía transformadora e os seus sucesores por vir".