Rahsia jangka hayat bateri boleh dicas semula yang panjang mungkin terletak pada penerimaan perbezaan. Pemodelan baharu tentang bagaimana sel litium-ion dalam pek rosak menunjukkan cara untuk menyesuaikan pengecasan mengikut kapasiti setiap sel supaya bateri EV boleh mengendalikan lebih banyak kitaran pengecasan dan mencegah kegagalan.

Kajian itu, yang diterbitkan pada 5 Nov dalamTransaksi IEEE pada Teknologi Sistem Kawalan, menunjukkan bagaimana mengurus jumlah arus elektrik yang mengalir ke setiap sel dalam satu pek secara aktif, daripada menghantar cas secara seragam, dapat meminimumkan haus dan lusuh. Pendekatan ini secara berkesan membolehkan setiap sel menjalani jangka hayatnya yang terbaik – dan paling lama.

Menurut profesor Stanford dan penulis kanan kajian Simona Onori, simulasi awal menunjukkan bateri yang diuruskan dengan teknologi baharu itu boleh mengendalikan sekurang-kurangnya 20% lebih banyak kitaran cas-nyahcas, walaupun dengan pengecasan pantas yang kerap, yang memberikan tekanan tambahan pada bateri.

Kebanyakan usaha terdahulu untuk memanjangkan hayat bateri kereta elektrik tertumpu pada peningkatan reka bentuk, bahan dan pembuatan sel tunggal, berdasarkan premis bahawa, seperti pautan dalam rantai, pek bateri hanya sebaik selnya yang paling lemah. Kajian baharu ini bermula dengan pemahaman bahawa walaupun pautan lemah tidak dapat dielakkan – disebabkan oleh ketidaksempurnaan pembuatan dan kerana sesetengah sel rosak lebih cepat daripada yang lain kerana terdedah kepada tekanan seperti haba – ia tidak perlu menurunkan keseluruhan pek. Kuncinya adalah untuk menyesuaikan kadar pengecasan dengan kapasiti unik setiap sel untuk mengelakkan kegagalan.

“Jika tidak ditangani dengan betul, heterogeniti sel-ke-sel boleh menjejaskan jangka hayat, kesihatan dan keselamatan pek bateri serta menyebabkan kerosakan awal pek bateri,” kata Onori, yang merupakan penolong profesor kejuruteraan sains tenaga di Sekolah Kelestarian Stanford Doerr. “Pendekatan kami menyamakan tenaga dalam setiap sel dalam pek, membawa semua sel ke keadaan cas sasaran akhir secara seimbang dan meningkatkan jangka hayat pek.”

Diinspirasikan untuk membina bateri sejuta batu

Sebahagian daripada dorongan untuk penyelidikan baharu ini berpunca daripada pengumuman pada tahun 2020 oleh Tesla, syarikat kereta elektrik, tentang kerja-kerja membangunkan "bateri sejuta batu". Ini akan menjadi bateri yang mampu menggerakkan kereta sejauh 1 juta batu atau lebih (dengan pengecasan biasa) sebelum mencapai titik di mana, seperti bateri litium-ion dalam telefon lama atau komputer riba, bateri EV memegang terlalu sedikit cas untuk berfungsi.

Bateri sedemikian akan melebihi jaminan biasa pengeluar kereta untuk bateri kenderaan elektrik selama lapan tahun atau 100,000 batu. Walaupun pek bateri secara rutinnya melebihi jaminan mereka, keyakinan pengguna terhadap kenderaan elektrik boleh diperkukuh jika penggantian pek bateri yang mahal menjadi lebih jarang. Bateri yang masih boleh menyimpan cas selepas beribu-ribu cas semula juga boleh memudahkan jalan untuk elektrifikasi trak jarak jauh, dan untuk penggunaan apa yang dipanggil sistem kenderaan-ke-grid, di mana bateri EV akan menyimpan dan menghantar tenaga boleh diperbaharui untuk grid kuasa.

“Kemudian dijelaskan bahawa konsep bateri sejuta batu bukanlah satu kimia baharu, tetapi hanya satu cara untuk mengendalikan bateri dengan tidak menggunakan julat cas penuh,” kata Onori. Penyelidikan berkaitan tertumpu pada sel litium-ion tunggal, yang secara amnya tidak kehilangan kapasiti cas secepat pek bateri penuh.

Tertarik dengan perkara ini, Onori dan dua orang penyelidik di makmalnya – sarjana pasca doktoral Vahid Azimi dan pelajar PhD Anirudh Allam – memutuskan untuk menyiasat bagaimana pengurusan inventif jenis bateri sedia ada dapat meningkatkan prestasi dan jangka hayat pek bateri penuh, yang mungkin mengandungi ratusan atau ribuan sel.

Model bateri berketepatan tinggi

Sebagai langkah pertama, para penyelidik telah menghasilkan model komputer berketepatan tinggi bagi tingkah laku bateri yang mewakili dengan tepat perubahan fizikal dan kimia yang berlaku di dalam bateri semasa hayat operasinya. Sebahagian daripada perubahan ini berlaku dalam masa beberapa saat atau minit – yang lain dalam masa berbulan-bulan atau bertahun-tahun.

"Setahu kami, tiada kajian terdahulu yang menggunakan model bateri berbilang skala masa berfideliti tinggi seperti yang kami cipta," kata Onori, yang merupakan pengarah Makmal Kawalan Tenaga Stanford.

Simulasi yang dijalankan dengan model tersebut mencadangkan bahawa pek bateri moden boleh dioptimumkan dan dikawal dengan menerima perbezaan antara sel-sel penyusunnya. Onori dan rakan sekerja membayangkan model mereka akan digunakan untuk membimbing pembangunan sistem pengurusan bateri pada tahun-tahun akan datang yang boleh digunakan dengan mudah dalam reka bentuk kenderaan sedia ada.

Bukan sahaja kenderaan elektrik yang akan mendapat manfaat. Hampir semua aplikasi yang "sangat menekankan pek bateri" boleh menjadi calon yang baik untuk pengurusan yang lebih baik berdasarkan keputusan baharu, kata Onori. Satu contoh? Pesawat seperti dron dengan pelepasan dan pendaratan menegak elektrik, kadangkala dipanggil eVTOL, yang dijangkakan oleh sesetengah usahawan untuk beroperasi sebagai teksi udara dan menyediakan perkhidmatan mobiliti udara bandar yang lain dalam dekad akan datang. Namun begitu, aplikasi lain untuk bateri litium-ion boleh dicas semula menarik perhatian, termasuk penerbangan am dan penyimpanan tenaga boleh diperbaharui berskala besar.

“Bateri litium-ion telah mengubah dunia dalam pelbagai cara,” kata Onori. “Adalah penting untuk kita memanfaatkan sebanyak mungkin teknologi transformatif ini dan penggantinya yang akan datang.”