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

Penelitian tersebut, yang diterbitkan pada 5 November diTransaksi IEEE tentang Teknologi Sistem KontrolGambar tersebut menunjukkan bagaimana pengelolaan aktif jumlah arus listrik yang mengalir ke setiap sel dalam sebuah paket baterai, alih-alih memberikan muatan secara seragam, dapat meminimalkan keausan. Pendekatan ini secara efektif memungkinkan setiap sel untuk memiliki masa pakai terbaik – dan terpanjang.

Menurut profesor Stanford dan penulis senior studi, Simona Onori, simulasi awal menunjukkan bahwa baterai yang dikelola dengan teknologi baru ini 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 umur baterai mobil listrik berfokus pada peningkatan desain, material, dan manufaktur sel tunggal, berdasarkan premis bahwa, seperti mata rantai, paket baterai hanya sebaik sel terlemahnya. Studi baru ini dimulai dengan pemahaman bahwa meskipun mata rantai yang lemah tidak dapat dihindari – karena ketidaksempurnaan manufaktur dan karena beberapa sel mengalami degradasi lebih cepat daripada yang lain karena terpapar tekanan seperti panas – hal itu tidak perlu merusak seluruh paket. Kuncinya adalah menyesuaikan laju pengisian daya dengan kapasitas unik setiap sel untuk mencegah kegagalan.

“Jika tidak ditangani dengan benar, heterogenitas antar sel dapat mengganggu umur pakai, kesehatan, dan keamanan paket baterai serta menyebabkan kerusakan dini pada paket baterai,” kata Onori, yang merupakan asisten profesor teknik ilmu energi di Stanford Doerr School of Sustainability. “Pendekatan kami menyamakan energi di setiap sel dalam paket, membawa semua sel ke kondisi pengisian daya akhir yang ditargetkan secara seimbang dan meningkatkan umur pakai paket.”

Terinspirasi untuk membangun baterai yang mampu bertahan hingga satu juta mil.

Sebagian dari dorongan untuk penelitian baru ini bermula dari pengumuman tahun 2020 oleh Tesla, perusahaan mobil listrik, tentang pengerjaan "baterai satu juta mil". Ini adalah baterai yang mampu memberi daya pada mobil selama 1 juta mil atau lebih (dengan pengisian daya teratur) sebelum mencapai titik di mana, seperti baterai lithium-ion di ponsel atau laptop lama, baterai EV tersebut menyimpan terlalu sedikit daya untuk berfungsi.

Baterai seperti itu akan melampaui garansi standar produsen mobil untuk baterai kendaraan listrik, yaitu delapan tahun atau 100.000 mil. Meskipun paket baterai biasanya bertahan lebih lama dari masa garansinya, kepercayaan konsumen terhadap kendaraan listrik dapat ditingkatkan jika penggantian paket baterai yang mahal menjadi semakin jarang. Baterai yang masih dapat menyimpan daya setelah ribuan kali pengisian ulang juga dapat mempermudah elektrifikasi truk jarak jauh, dan adopsi sistem yang disebut vehicle-to-grid, di mana baterai EV akan menyimpan dan menyalurkan energi terbarukan untuk jaringan listrik.

“Kemudian dijelaskan bahwa konsep baterai jutaan mil sebenarnya bukanlah kimia baru, melainkan hanya cara untuk mengoperasikan baterai tanpa membuatnya menggunakan kapasitas pengisian penuh,” kata Onori. Penelitian terkait telah berpusat pada sel lithium-ion tunggal, yang umumnya tidak kehilangan kapasitas pengisian secepat paket baterai penuh.

Karena penasaran, Onori dan dua peneliti di laboratoriumnya – peneliti pascadoktoral Vahid Azimi dan mahasiswa PhD Anirudh Allam – memutuskan untuk menyelidiki bagaimana pengelolaan inovatif terhadap jenis baterai yang ada dapat meningkatkan kinerja dan masa pakai paket baterai lengkap, yang mungkin berisi ratusan atau ribuan sel.

Model baterai dengan fidelitas tinggi

Sebagai langkah pertama, para peneliti membuat model komputer berakurasi tinggi tentang perilaku baterai yang secara akurat merepresentasikan perubahan fisik dan kimia yang terjadi di dalam baterai selama masa operasionalnya. Beberapa perubahan ini terjadi dalam hitungan detik atau menit – yang lainnya selama berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun.

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

Simulasi yang dilakukan dengan model tersebut menunjukkan bahwa paket baterai modern dapat dioptimalkan dan dikendalikan dengan memanfaatkan perbedaan di antara sel-sel penyusunnya. Onori dan rekan-rekannya membayangkan model mereka dapat digunakan untuk memandu pengembangan sistem manajemen baterai di tahun-tahun mendatang yang dapat dengan mudah diterapkan pada desain kendaraan yang sudah ada.

Bukan hanya kendaraan listrik yang akan mendapat manfaat. Hampir semua aplikasi yang "sangat membebani paket baterai" bisa menjadi kandidat yang baik untuk manajemen yang lebih baik berdasarkan hasil baru ini, kata Onori. Salah satu contohnya? Pesawat mirip drone dengan lepas landas dan pendaratan vertikal elektrik, kadang-kadang disebut eVTOL, yang menurut beberapa pengusaha diharapkan dapat beroperasi sebagai taksi udara dan menyediakan layanan mobilitas udara perkotaan lainnya selama dekade berikutnya. Selain itu, aplikasi lain untuk baterai lithium-ion isi ulang juga menjanjikan, termasuk penerbangan umum dan penyimpanan energi terbarukan skala besar.

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