Leyndarmálið að langri endingu endurhlaðanlegra rafhlaðna getur falist í faðmi mismunarins.Ný líkan af því hvernig litíumjónafrumur í pakka brotna niður sýna leið til að sníða hleðslu að getu hverrar frumu þannig að rafgeymir rafgeyma geti séð um fleiri hleðslulotur og komið í veg fyrir bilun.

Rannsóknin, sem birt var 5. nóvember íIEEE viðskipti á stýrikerfistækni, sýnir hvernig virk stjórnun á magni rafstraums sem flæðir til hverrar frumu í pakka, frekar en að skila hleðslu einsleitt, getur lágmarkað slit.Aðferðin gerir hverri frumu kleift að lifa sínu besta – og lengsta – lífi.

Samkvæmt Stanford prófessor og yfirrannsóknarhöfundi Simona Onori benda fyrstu hermunir til þess að rafhlöður sem stjórnað er með nýju tækninni gætu séð að minnsta kosti 20% fleiri hleðslu- og afhleðslulotur, jafnvel með tíðri hraðhleðslu, sem veldur auknu álagi á rafhlöðuna.

Flestar fyrri tilraunir til að lengja endingu rafhlöðu rafbíla hafa beinst að því að bæta hönnun, efni og framleiðslu stakra frumna, byggt á þeirri forsendu að, eins og hlekkir í keðju, er rafhlöðupakkinn aðeins eins góður og veikasti klefinn.Nýja rannsóknin byrjar með skilningi á því að þótt veikir hlekkir séu óumflýjanlegir – vegna ófullkomleika í framleiðslu og vegna þess að sumar frumur brotna hraðar niður en aðrar þar sem þær verða fyrir álagi eins og hita – þurfa þær ekki að lækka allan pakkann.Lykillinn er að sníða hleðsluhraða að einstökum getu hvers klefa til að koma í veg fyrir bilun.

„Ef ekki er rétt tekist á við, getur ólík fruma til fruma komið í veg fyrir endingu, heilsu og öryggi rafhlöðupakka og valdið því að rafhlöðupakkann virki snemma,“ sagði Onori, sem er lektor í orkuvísindaverkfræði við Stanford Doerr. Sjálfbærniskóli.„Nálgun okkar jafnar orkuna í hverri frumu í pakkanum, færir allar frumur í endanlegt hleðsluástand á yfirvegaðan hátt og bætir endingu pakkans.

Innblásin til að byggja milljón mílna rafhlöðu

Hluti af hvatanum að nýju rannsókninni má rekja til 2020 tilkynningu frá Tesla, rafbílafyrirtækinu, um vinnu við „milljón mílna rafhlöðu“.Þetta væri rafhlaða sem getur knúið bíl í 1 milljón kílómetra eða meira (með reglulegri hleðslu) áður en hún nær þeim punkti að rafhlaðan í EV heldur of lítilli hleðslu, eins og litíumjónarafhlaðan í gömlum síma eða fartölvu. .

Slík rafhlaða myndi fara yfir dæmigerða ábyrgð bílaframleiðenda fyrir rafhlöður rafbíla sem eru átta ár eða 100.000 mílur.Þrátt fyrir að rafhlöðupakkar endist reglulega lengur en ábyrgð þeirra gæti tiltrú neytenda á rafknúnum ökutækjum eflt ef dýrar rafhlöðupakkaskipti verða sjaldgæfari.Rafhlaða sem getur enn haldið hleðslu eftir þúsundir endurhleðslna gæti einnig auðveldað rafvæðingu langferðabíla og til að taka upp svokölluð ökutæki-til-net kerfi, þar sem rafgeymir rafgeyma myndu geyma og senda endurnýjanlega orku fyrir raforkukerfið.

"Síðar var útskýrt að milljón mílna rafhlöðuhugmyndin væri í raun ekki ný efnafræði, heldur bara leið til að stjórna rafhlöðunni með því að láta hana ekki nota allt hleðslusviðið," sagði Onori.Tengdar rannsóknir hafa snúist um stakar litíumjónafrumur, sem almennt missa ekki hleðslugetu eins hratt og fullir rafhlöðupakkar gera.

Onori og tveir rannsakendur í rannsóknarstofu hennar - nýdoktorsfræðingurinn Vahid Azimi og doktorsneminn Anirudh Allam - ákváðu að kanna hvernig frumlega stjórnun núverandi rafhlöðutegunda gæti bætt afköst og endingartíma fulls rafhlöðupakka, sem gæti innihaldið hundruð eða þúsundir frumna .

Hágæða rafhlöðugerð

Sem fyrsta skrefið bjuggu rannsakendur til hátryggð tölvulíkan af rafhlöðuhegðun sem sýndi nákvæmlega eðlis- og efnafræðilegar breytingar sem eiga sér stað inni í rafhlöðu á meðan hún er í notkun.Sumar þessara breytinga þróast á nokkrum sekúndum eða mínútum - aðrar á mánuðum eða jafnvel árum.

„Eftir því sem við best vitum hefur engin fyrri rannsókn notað þá tegund af traustri, margtíma rafhlöðulíkani sem við bjuggum til,“ sagði Onori, sem er forstöðumaður Stanford Energy Control Lab.

Að keyra eftirlíkingar með líkaninu bentu til þess að hægt væri að fínstilla og stjórna nútíma rafhlöðupakka með því að umfaðma muninn á frumum hans.Onori og félagar sjá fyrir sér að líkan þeirra verði notað til að leiðbeina þróun rafhlöðustjórnunarkerfa á næstu árum sem auðvelt er að nota í núverandi bílahönnun.

Það eru ekki bara rafbílar sem njóta góðs af.Nánast öll forrit sem „leggja mikla áherslu á rafhlöðupakkann“ gæti verið góður kandídat fyrir betri stjórnun upplýst af nýju niðurstöðunum, sagði Onori.Eitt dæmi?Flugvélar eins og dróna með rafknúnum lóðréttu flugtaki og lendingu, stundum kölluð eVTOL, sem sumir frumkvöðlar búast við að muni starfa sem flugleigubílar og veita aðra flutningaþjónustu í þéttbýli á næsta áratug.Samt sem áður, önnur forrit fyrir endurhlaðanlegar litíumjónarafhlöður vekja athygli, þar á meðal almennt flug og stórfelld geymslu endurnýjanlegrar orku.

„Liþíumjónarafhlöður hafa þegar breytt heiminum á svo margan hátt,“ sagði Onori.„Það er mikilvægt að við fáum eins mikið og við mögulega getum út úr þessari umbreytingartækni og arftaka hennar sem koma skal.