Қайта зарядталатын батареялардың ұзақ қызмет ету құпиясы айырмашылықтарды қабылдауда болуы мүмкін. Қаптамадағы литий-ионды батареялардың қалай ыдырайтынын көрсететін жаңа модельдеу электр көліктерінің батареялары көбірек зарядтау циклдарын өңдей алатындай және істен шығудың алдын алатындай етіп, зарядтауды әрбір ұяшықтың сыйымдылығына бейімдеудің жолын көрсетеді.

Зерттеу 5 қарашада жарияландыБасқару жүйелері технологиясы бойынша IEEE транзакциялары, зарядты біркелкі жеткізудің орнына, пакеттегі әрбір ұяшыққа ағатын электр тогының мөлшерін белсенді түрде басқару тозу мен жыртылуды қалай азайта алатынын көрсетеді. Бұл тәсіл әрбір ұяшықтың ең жақсы және ең ұзақ қызмет етуіне мүмкіндік береді.

Стэнфорд профессоры және зерттеудің аға авторы Симона Оноридің айтуынша, алғашқы модельдеулер жаңа технологиямен басқарылатын батареялардың, тіпті жиі жылдам зарядтау кезінде де, кем дегенде 20%-ға көп зарядтау-разрядтау циклдарын көтере алатынын көрсетеді, бұл батареяға қосымша жүктеме түсіреді.

Электромобиль аккумуляторының қызмет ету мерзімін ұзартуға бағытталған бұрынғы күш-жігердің көпшілігі тізбектегі буындар сияқты, аккумулятор блогы тек ең әлсіз элементі сияқты жақсы деген тұжырымға негізделген жеке элементтердің дизайнын, материалдарын және өндірісін жақсартуға бағытталған. Жаңа зерттеу әлсіз буындар сөзсіз болатынын түсінуден басталады - өндірістік кемшіліктерге байланысты және кейбір элементтер жылу сияқты кернеулерге ұшыраған кезде басқаларына қарағанда тезірек ыдырайды - олар бүкіл батареяны істен шығарудың қажеті жоқ. Ең бастысы - істен шығудың алдын алу үшін зарядтау жылдамдығын әрбір элементтің бірегей сыйымдылығына бейімдеу.

«Егер дұрыс шешілмесе, жасушалар арасындағы гетерогенділік батарея блогының қызмет ету мерзіміне, денсаулығына және қауіпсіздігіне қауіп төндіріп, батарея блогының ерте істен шығуына әкелуі мүмкін», - деді Стэнфорд Дорр Тұрақтылық мектебінің энергетика ғылымдары инженериясы бойынша доценті Онори. «Біздің тәсіліміз батарея блогындағы әрбір ұяшықтағы энергияны теңестіреді, барлық ұяшықтарды теңгерімді түрде соңғы мақсатты заряд күйіне жеткізеді және батарея блогының қызмет ету мерзімін жақсартады».

Миллион мильге жететін батарея жасауға шабыттандырылды

Жаңа зерттеуге түрткі болған бір нәрсе, электромобиль компаниясы Tesla компаниясының 2020 жылы «миллион мильдік батарея» жобасы туралы жариялауынан бастау алады. Бұл батарея ескі телефондағы немесе ноутбуктағы литий-иондық батарея сияқты электромобильдің батареясы жұмыс істеу үшін тым аз заряд ұстайтын деңгейге жеткенге дейін көлікті 1 миллион миль немесе одан да көп қашықтыққа (тұрақты зарядтау арқылы) қуаттандыра алады.

Мұндай аккумулятор автоөндірушілердің сегіз жылдық немесе 100 000 мильдік электромобиль аккумуляторларына арналған әдеттегі кепілдігінен асып түсер еді. Аккумулятор батареялары кепілдік мерзімінен әлдеқайда ұзақ қызмет етсе де, қымбат аккумулятор батареяларын ауыстыру сирек кездесетін болса, тұтынушылардың электромобильдерге деген сенімі артуы мүмкін. Мыңдаған қайта зарядтаудан кейін де зарядты сақтай алатын аккумулятор ұзақ жол жүретін жүк көліктерін электрлендіруге және электромобиль аккумуляторлары электр желісі үшін жаңартылатын энергияны сақтайтын және жіберетін көліктен желіге дейінгі жүйелерді енгізуге жол ашады.

«Кейінірек миллион мильдік батарея тұжырымдамасы шын мәнінде жаңа химия емес, тек батареяны толық зарядтау диапазонын пайдаланбау арқылы басқарудың тәсілі екені түсіндірілді», - деді Онори. Осыған ұқсас зерттеулер әдетте толық батареялар сияқты зарядтау қабілетін тез жоғалтпайтын жеке литий-ионды элементтерге бағытталған.

Қызығушылық танытқан Онори және оның зертханасындағы екі зерттеуші – докторантурадан кейінгі ғалым Вахид Азими мен PhD студенті Анирудх Аллам – қолданыстағы батарея түрлерін өнертапқыштықпен басқару жүздеген немесе мыңдаған элементтен тұратын толық батарея жинағының өнімділігі мен қызмет ету мерзімін қалай жақсарта алатынын зерттеуге шешім қабылдады.

Жоғары сапалы батарея моделі

Алғашқы қадам ретінде зерттеушілер батареяның жұмыс істеу мерзімі ішінде оның ішінде болатын физикалық және химиялық өзгерістерді дәл көрсететін батареяның жұмыс істеуінің жоғары сапалы компьютерлік моделін жасады. Бұл өзгерістердің кейбіреулері бірнеше секунд немесе минут ішінде, ал басқалары бірнеше ай немесе тіпті жылдар ішінде дамиды.

«Біздің білуімізше, бұрынғы ешбір зерттеу біз жасаған жоғары дәлдіктегі, көп уақыттық батарея моделін пайдаланбаған», - деді Стэнфорд энергетикалық бақылау зертханасының директоры Онори.

Модельмен модельдеуді жүргізу заманауи аккумулятор блогын оның құрамдас бөліктері арасындағы айырмашылықтарды ескере отырып оңтайландыруға және басқаруға болатынын көрсетті. Онори және әріптестері өз моделін алдағы жылдары қолданыстағы көлік конструкцияларында оңай орналастыруға болатын аккумуляторды басқару жүйелерін әзірлеуге бағыттау үшін пайдалануды көздейді.

Тек электромобильдер ғана пайда көрмейді. Оноридің айтуынша, «аккумулятор батареясына көп күш түсіретін» кез келген қолданба жаңа нәтижелерге негізделген жақсы басқару үшін жақсы үміткер бола алады. Бір мысал? Кейбір кәсіпкерлер келесі онжылдықта әуе таксиі ретінде жұмыс істейді және басқа да қалалық әуе мобильділік қызметтерін ұсынады деп күтетін, кейде eVTOL деп аталатын электрлік тік ұшу және қонуы бар дрон тәрізді ұшақ. Дегенмен, қайта зарядталатын литий-ионды батареялардың басқа да қолданбалары, соның ішінде жалпы авиация және жаңартылатын энергияны ауқымды көлемде сақтау саласы да тартымды.

«Литий-ионды батареялар әлемді көптеген жолдармен өзгертті», - деді Онори. «Біз бұл трансформациялық технологиядан және оның болашақ мұрагерлерінен мүмкіндігінше көп пайда алуымыз маңызды».