Tajemství dlouhé životnosti dobíjecích baterií může spočívat v přijetí odlišnosti. Nové modelování degradace lithium-iontových článků v sadě ukazuje způsob, jak přizpůsobit nabíjení kapacitě každého článku, aby baterie pro elektromobily zvládly více nabíjecích cyklů a zabránily selhání.

Výzkum, publikovaný 5. listopadu vIEEE Transactions on Control Systems Technology, ukazuje, jak aktivní řízení množství elektrického proudu proudícího do každého článku v sadě, spíše než rovnoměrné dodávání náboje, může minimalizovat opotřebení. Tento přístup efektivně umožňuje každému článku žít co nejlepší – a nejdelší – životnost.

Podle profesorky Stanfordské univerzity a hlavní autorky studie Simony Onori počáteční simulace naznačují, že baterie ovládané novou technologií by zvládly nejméně o 20 % více cyklů nabíjení a vybíjení, a to i při častém rychlém nabíjení, které baterii dále zatěžuje.

Většina předchozích snah o prodloužení životnosti baterií elektromobilů se zaměřovala na zlepšení designu, materiálů a výroby jednotlivých článků, vycházející z předpokladu, že stejně jako články v řetězu je i baterie jen tak dobrá, jako její nejslabší článek. Nová studie vychází z pochopení, že ačkoli jsou slabé články nevyhnutelné – kvůli výrobním nedokonalostem a proto, že některé články se opotřebovávají rychleji než jiné, protože jsou vystaveny namáhání, jako je teplo – nemusí vybít celou baterii. Klíčem je přizpůsobit rychlost nabíjení jedinečné kapacitě každého článku, aby se zabránilo selhání.

„Pokud se s heterogenitou mezi buňkami řádně neřeší, může to ohrozit životnost, zdraví a bezpečnost bateriového bloku a způsobit jeho předčasnou poruchu,“ řekl Onori, který je odborným asistentem energetického inženýrství na Stanford Doerr School of Sustainability. „Náš přístup vyrovnává energii v každém článku v bloku, čímž vyváženým způsobem uvádí všechny články do konečného cílového stavu nabití a prodlužuje životnost bloku.“

Inspirováno k výrobě baterie s životností milionu mil

Část impulsu pro nový výzkum sahá až k oznámení společnosti Tesla, která vyrábí elektromobily, z roku 2020 o práci na „baterii s dojezdem milionu mil“. Jednalo by se o baterii schopnou napájet auto po dobu 1 milionu mil nebo více (při běžném nabíjení), než dosáhne bodu, kdy, podobně jako lithium-iontová baterie ve starém telefonu nebo notebooku, baterie elektromobilu drží příliš málo náboje na to, aby byla funkční.

Taková baterie by překročila typickou záruku výrobců automobilů na baterie elektromobilů, která činí osm let nebo 160 000 km. Ačkoli baterie běžně vydrží déle, než je stanoveno na jejich záruku, důvěra spotřebitelů v elektromobily by se mohla posílit, pokud by se drahé výměny baterií staly ještě vzácnějšími. Baterie, která by si udržela nabití i po tisících nabitích, by také mohla usnadnit cestu k elektrifikaci dálkových nákladních vozidel a k přijetí tzv. systémů „vehicle-to-grid“, v nichž by baterie elektromobilů ukládaly a dodávaly obnovitelnou energii do elektrické sítě.

„Později bylo vysvětleno, že koncept baterie s dojezdem milionu mil nebyl ve skutečnosti novou chemií, ale pouze způsobem, jak baterii provozovat tak, že se nevyužívá plný rozsah nabití,“ řekl Onori. Související výzkum se zaměřil na jednotlivé lithium-iontové články, které obecně neztrácejí kapacitu nabíjení tak rychle jako plné baterie.

Onori a dva výzkumníci z její laboratoře – postdoktorand Vahid Azimi a doktorand Anirudh Allam – se zaujali a rozhodli se prozkoumat, jak by invenční řízení stávajících typů baterií mohlo zlepšit výkon a životnost plného bateriového bloku, který může obsahovat stovky nebo tisíce článků.

Vysoce věrný model baterie

Jako první krok vědci vytvořili vysoce věrný počítačový model chování baterie, který přesně reprezentoval fyzikální a chemické změny, k nimž dochází uvnitř baterie během její provozní životnosti. Některé z těchto změn probíhají během několika sekund nebo minut – jiné v průběhu měsíců nebo dokonce let.

„Pokud je nám známo, žádná předchozí studie nepoužila takový vysoce věrný model baterie s více časovými rámcemi, jaký jsme vytvořili,“ řekl Onori, který je ředitelem Stanfordské laboratoře pro řízení energie.

Simulace s tímto modelem naznačily, že moderní bateriový blok lze optimalizovat a řídit s ohledem na rozdíly mezi jeho jednotlivými články. Onori a kolegové si představují, že jejich model bude v nadcházejících letech použit jako vodítko pro vývoj systémů správy baterií, které lze snadno nasadit do stávajících konstrukcí vozidel.

Nejen elektromobily by z toho mohly těžit. Prakticky jakákoli aplikace, která „velmi zatěžuje bateriový blok“, by mohla být dobrým kandidátem pro lepší řízení na základě nových výsledků, uvedl Onori. Jedním příkladem? Letadla podobná dronu s elektrickým vertikálním vzletem a přistáním, někdy nazývaná eVTOL, u kterých někteří podnikatelé očekávají, že budou v příštím desetiletí provozována jako letecké taxi a poskytovat další služby městské letecké mobility. Přesto lákají i další aplikace pro dobíjecí lithium-iontové baterie, včetně všeobecného letectví a velkokapacitního skladování obnovitelné energie.

„Lithium-iontové baterie již v mnoha ohledech změnily svět,“ řekl Onori. „Je důležité, abychom z této transformační technologie a jejích budoucích nástupců vytěžili co nejvíce.“