Rahasia umur panjang baterai isi ulang mungkin terletak pada perbedaan.Pemodelan baru tentang bagaimana sel lithium-ion dalam satu paket terdegradasi menunjukkan cara untuk menyesuaikan pengisian daya dengan kapasitas setiap sel sehingga baterai EV dapat menangani lebih banyak siklus pengisian daya dan mencegah kegagalan.

Penelitian tersebut, diterbitkan pada 5 November diTransaksi IEEE pada Teknologi Sistem Kontrol, menunjukkan betapa aktifnya mengelola jumlah arus listrik yang mengalir ke setiap sel dalam satu paket, dibandingkan menyalurkan muatan secara seragam, dapat meminimalkan keausan.Pendekatan ini secara efektif memungkinkan setiap sel untuk menjalani kehidupan terbaik – dan terpanjang –.

Menurut profesor Stanford dan penulis studi senior Simona Onori, simulasi awal menunjukkan bahwa baterai yang dikelola dengan teknologi baru dapat menangani setidaknya 20% lebih banyak siklus pengisian-pengosongan, bahkan dengan pengisian cepat yang sering dilakukan, yang memberikan tekanan ekstra pada baterai.

Sebagian besar upaya sebelumnya untuk memperpanjang masa pakai baterai mobil listrik berfokus pada peningkatan desain, bahan, dan pembuatan sel tunggal, berdasarkan premis bahwa, seperti rangkaian rantai, baterai hanya akan berfungsi jika sel terlemahnya.Studi baru ini dimulai dengan pemahaman bahwa meskipun hubungan yang lemah tidak dapat dihindari – karena ketidaksempurnaan manufaktur dan karena beberapa sel terdegradasi lebih cepat dibandingkan sel lain karena terkena tekanan seperti panas – hal ini tidak perlu menghancurkan keseluruhan sel.Kuncinya adalah menyesuaikan tingkat pengisian daya dengan kapasitas unik setiap sel untuk mencegah kegagalan.

“Jika tidak ditangani dengan benar, heterogenitas sel-ke-sel dapat membahayakan umur panjang, kesehatan, dan keamanan baterai serta menyebabkan kegagalan fungsi baterai secara dini,” kata Onori, asisten profesor teknik ilmu energi di Stanford Doerr. Sekolah Keberlanjutan.“Pendekatan kami menyamakan energi di setiap sel dalam paket, membawa semua sel ke kondisi muatan akhir yang ditargetkan secara seimbang dan meningkatkan umur paket.”

Terinspirasi untuk membuat baterai jutaan mil

Salah satu pendorong penelitian baru ini berasal dari pengumuman Tesla, perusahaan mobil listrik, pada tahun 2020 tentang pengerjaan “baterai jutaan mil”.Ini adalah baterai yang mampu memberi daya pada mobil sejauh 1 juta mil atau lebih (dengan pengisian daya rutin) sebelum mencapai titik di mana, seperti baterai lithium-ion di ponsel atau laptop lama, baterai EV hanya memiliki daya yang terlalu sedikit untuk dapat berfungsi. .

Baterai seperti itu akan melebihi garansi umum pembuat mobil untuk baterai kendaraan listrik selama delapan tahun atau 100.000 mil.Meskipun baterai biasanya memiliki masa pakai lebih lama dari garansinya, kepercayaan konsumen terhadap kendaraan listrik dapat meningkat jika penggantian baterai yang mahal semakin jarang dilakukan.Baterai yang masih dapat mengisi daya setelah ribuan kali diisi ulang juga dapat memudahkan jalan bagi elektrifikasi truk jarak jauh, dan untuk penerapan sistem vehicle-to-grid (kendaraan ke jaringan listrik), di mana baterai kendaraan listrik akan menyimpan dan mengirimkan energi terbarukan untuk konsumen. jaringan listrik.

“Belakangan dijelaskan bahwa konsep baterai jutaan mil sebenarnya bukanlah sebuah kimia baru, melainkan hanya cara mengoperasikan baterai dengan tidak membuatnya menggunakan rentang pengisian penuh,” kata Onori.Penelitian terkait berpusat pada sel lithium-ion tunggal, yang umumnya tidak kehilangan kapasitas pengisian daya secepat baterai penuh.

Penasaran, Onori dan dua peneliti di labnya – sarjana pascadoktoral Vahid Azimi dan mahasiswa PhD Anirudh Allam – memutuskan untuk menyelidiki bagaimana manajemen inventif dari jenis baterai yang ada dapat meningkatkan kinerja dan masa pakai baterai penuh, yang mungkin berisi ratusan atau ribuan sel. .

Model baterai dengan ketelitian tinggi

Sebagai langkah pertama, para peneliti membuat model komputer perilaku baterai dengan ketelitian tinggi yang secara akurat mewakili perubahan fisik dan kimia yang terjadi di dalam baterai selama masa operasionalnya.Beberapa dari perubahan ini terjadi dalam hitungan detik atau menit – yang lain terjadi dalam hitungan bulan atau bahkan bertahun-tahun.

“Sepengetahuan kami, belum ada penelitian sebelumnya yang menggunakan model baterai multi-skala dengan ketelitian tinggi yang kami buat,” kata Onori, direktur Stanford Energy Control Lab.

Menjalankan simulasi dengan model tersebut menunjukkan bahwa paket baterai modern dapat dioptimalkan dan dikontrol dengan merangkul perbedaan di antara sel-sel penyusunnya.Onori dan rekannya membayangkan model mereka digunakan untuk memandu pengembangan sistem manajemen baterai di tahun-tahun mendatang yang dapat dengan mudah diterapkan pada desain kendaraan yang ada.

Bukan hanya kendaraan listrik yang mendapat manfaat.Hampir semua aplikasi yang “sangat membebani baterai” bisa menjadi kandidat yang baik untuk manajemen yang lebih baik berdasarkan hasil baru ini, kata Onori.Salah satu contoh?Pesawat mirip drone dengan lepas landas dan pendaratan vertikal listrik, kadang-kadang disebut eVTOL, yang diharapkan oleh beberapa pengusaha dapat dioperasikan sebagai taksi udara dan menyediakan layanan mobilitas udara perkotaan lainnya selama dekade berikutnya.Namun, masih ada aplikasi lain untuk baterai lithium-ion yang dapat diisi ulang, termasuk penerbangan umum dan penyimpanan energi terbarukan dalam skala besar.

“Baterai lithium-ion telah mengubah dunia dalam banyak hal,” kata Onori.“Penting bagi kita untuk memanfaatkan sebanyak mungkin teknologi transformatif ini dan penerusnya di masa depan.”