O segredo dunha longa vida útil das baterías recargables pode residir nunha aceptación da diferenza. Os novos modelos de como se degradan as celas de ións de litio nun paquete mostran unha forma de adaptar a carga á capacidade de cada cela para que as baterías dos vehículos eléctricos poidan xestionar máis ciclos de carga e evitar fallos.

A investigación, publicada o 5 de novembro enTransaccións do IEEE sobre tecnoloxía de sistemas de control, mostra como xestionar activamente a cantidade de corrente eléctrica que flúe a cada célula dun paquete, en lugar de subministrar carga uniformemente, pode minimizar o desgaste. O enfoque permite que cada célula viva a súa mellor vida (e a máis longa).

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 carga adicional para a batería.

A maioría dos esforzos anteriores para prolongar a vida útil das baterías dos coches eléctricos centráronse en mellorar o deseño, os materiais e a fabricación de celas individuais, 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 elos débiles son inevitables (debido ás imperfeccións de fabricación e a que algunhas celas se degradan máis rápido que outras ao estar expostas a tensións como a calor), non teñen por que danar toda a batería. A clave é adaptar as taxas de carga á capacidade única de cada cela para evitar fallos.

«Se non se abordan axeitadamente, as heteroxeneidades entre celas poden comprometer a lonxevidade, a saúde e a seguridade dunha batería e inducir un avaría prematura da batería», afirmou Onori, profesora adxunta de enxeñaría enerxética na Escola de Sostibilidade Doerr de Stanford. «O noso enfoque iguala a enerxía en cada cela da batería, levando todas as celas ao estado de carga final desexado dun xeito equilibrado e mellorando a lonxevidade da batería».

Inspirado para construír unha batería dun millón de millas

Parte do impulso para a nova investigación remóntase a un anuncio de Tesla, a empresa de automóbiles eléctricos, en 2020 sobre o traballo nunha "batería dun millón de millas". Esta sería unha batería capaz de alimentar un coche durante 1 millón de millas ou máis (con carga normal) antes de chegar ao punto no que, como a batería de ións de litio dun teléfono ou portátil antigo, a batería do vehículo eléctrico ten moi pouca carga para ser funcional.

Unha batería deste tipo superaría a garantía típica dos fabricantes de automóbiles para as baterías de vehículos eléctricos, que é de oito anos ou 160.000 quilómetros. Aínda que as baterías adoitan durar máis que a súa garantía, a confianza dos consumidores nos vehículos eléctricos podería reforzarse se as caras substitucións das baterías se fixesen aínda máis raras. Unha batería que aínda poida manter a carga despois de miles de recargas tamén podería facilitar o camiño para a electrificación dos camións de longa distancia e para a adopción dos chamados sistemas de conexión do vehículo á rede eléctrica, nos que as baterías dos vehículos eléctricos almacenarían e enviarían enerxía renovable á rede eléctrica.

«Máis tarde explicouse que o concepto de batería dun millón de millas non era realmente unha química nova, senón simplemente unha forma de facer funcionar a batería sen facela usar o rango de carga completo», dixo Onori. A investigación relacionada centrouse en celas individuais de ións de litio, que xeralmente non perden capacidade de carga tan rápido como os paquetes de baterías cheas.

Intrigadas, Onori e dous investigadores do seu laboratorio (o investigador posdoutoral Vahid Azimi e o estudante de doutoramento Anirudh Allam) decidiron investigar como a xestión innovadora dos tipos de baterías existentes podería mellorar o rendemento e a vida útil dun paquete de baterías completo, que pode conter centos ou miles de celas.

Un modelo de batería de alta fidelidade

Como primeiro paso, os investigadores elaboraron un modelo informático de alta fidelidade do comportamento das baterías 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 ao longo de meses ou incluso anos.

«Ata onde sabemos, ningún estudo previo empregou o tipo de modelo de batería de alta fidelidade e multiescala temporal que creamos», dixo Onori, director do Laboratorio de Control de Enerxía de Stanford.

A execución de simulacións co modelo suxeriu que unha batería moderna pode optimizarse e controlarse aceptando as diferenzas entre as celas que as constitúen. Onori e os seus colegas prevén que o seu modelo se utilice 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 poden beneficiar. Practicamente calquera aplicación que "solicite moito esforzo á batería" podería ser unha boa candidata para unha mellor xestión baseada nos novos resultados, dixo Onori. Un exemplo? Avións tipo drons con engalaxe e aterraxe vertical eléctrica, ás veces chamados eVTOL, que algúns empresarios esperan que funcionen como taxis aéreos e presten outros servizos de mobilidade aérea urbana durante a próxima década. Aínda así, outras aplicacións para baterías recargables de ións de litio son as que se presentan, como a aviación xeral e o almacenamento a grande escala de enerxía renovable.

«As baterías de ións de litio xa cambiaron o mundo de moitas maneiras», dixo Onori. «É importante que saquemos o máximo proveito posible desta tecnoloxía transformadora e das súas sucesoras futuras».