Leyndarmálið að langri endingu endurhlaðanlegra rafhlöðu gæti legið í því að vera ólíkur. Nýjar líkön af því hvernig litíumjónarafhlöður í pakka brotna niður sýna leið til að sníða hleðslu að afkastagetu hverrar rafhlöðu svo rafknúin rafbíla geti tekist á við fleiri hleðslulotur og komið í veg fyrir bilun.

Rannsóknin, sem birt var 5. nóvember íIEEE Færslur um stýrikerfistækni, sýnir hvernig hægt er að lágmarka slit með því að stjórna magni rafstraumsins sem fer til hverrar frumu í pakkanum, frekar en að dreifa hleðslu jafnt. Aðferðin gerir hverri frumu kleift að lifa sem best – og lengst – af.

Samkvæmt Simonu Onori, prófessor við Stanford og aðalhöfundi rannsóknarinnar, benda fyrstu hermun til þess að rafhlöður sem stjórnað er með nýju tækninni gætu tekist á við að minnsta kosti 20% fleiri hleðslu- og afhleðslulotur, jafnvel með tíðri hraðhleðslu, sem setur aukið álag á rafhlöðuna.

Flestar fyrri tilraunir til að lengja líftíma rafgeyma rafbíla hafa beinst að því að bæta hönnun, efni og framleiðslu einstakra rafhlöðu, byggt á þeirri forsendu að, eins og hlekkirnir í keðju, sé rafhlöðupakki aðeins eins góður og veikasti rafhlaðan. Nýja rannsóknin hefst með þeirri skilningi að þótt veikir hlekkirnir séu óhjákvæmilegir - vegna framleiðslugalla og vegna þess að sumar rafhlöður brotna niður hraðar en aðrar þegar þær verða fyrir álagi eins og hita - þurfa þær ekki að brjóta niður allan pakkann. Lykilatriðið er að sníða hleðsluhraða að einstakri getu hverrar rafhlöðu til að koma í veg fyrir bilun.

„Ef ekki er brugðist rétt við getur misræmi milli frumna haft áhrif á endingu, heilsu og öryggi rafhlöðupakka og valdið því að hann bilar snemma,“ sagði Onori, sem er aðstoðarprófessor í orkuverkfræði við Stanford Doerr sjálfbærniháskólann. „Aðferð okkar jafnar orkuna í hverri frumu í pakkanum, færir allar frumur í lokamarkmiðsstöðu hleðslu á jafnvægi og bætir endingu pakkans.“

Innblásin af smíði milljón mílna rafhlöðu

Hluti af hvata nýju rannsóknarinnar má rekja til tilkynningar Tesla, rafmagnsbílaframleiðandans, árið 2020 um vinnu við „milljón mílna rafhlöðu“. Þetta væri rafhlaða sem gæti knúið bíl í 1 milljón mílur eða meira (með reglulegri hleðslu) áður en það kæmist að því marki að rafhlaða rafbílsins, eins og litíumjónarafhlöðan í gömlum síma eða fartölvu, geymir of litla hleðslu til að vera virk.

Slík rafhlaða myndi endast lengur en dæmigerð ábyrgð bílaframleiðenda á rafhlöðum rafbíla, sem er átta ár eða 160.000 km. Þó að rafhlöður endist venjulega lengur en ábyrgðin, gæti traust neytenda á rafbílum aukist ef dýrar rafhlöðuskiptanir yrðu enn sjaldgæfari. Rafhlaða sem getur enn haldið hleðslu eftir þúsundir hleðslna gæti einnig auðveldað rafvæðingu langferðaflutningabíla og fyrir innleiðingu svokallaðra „ökutæki-til-netkerfa“, þar sem rafhlöður rafbíla myndu geyma og senda endurnýjanlega orku til raforkukerfisins.

„Síðar var útskýrt að hugmyndin um milljón mílna rafhlöðu væri í raun ekki ný efnafræði, heldur bara leið til að reka rafhlöðuna án þess að láta hana nota allt hleðslusviðið,“ sagði Onori. Tengdar rannsóknir hafa beinst að stökum litíumjónarafhlöðum, sem missa almennt ekki hleðslugetu eins fljótt og fullar rafhlöður.

Onori og tveir vísindamenn í rannsóknarstofu hennar – nýdoktorinn Vahid Azimi og doktorsneminn Anirudh Allam – voru forvitnir og ákváðu að rannsaka hvernig hugvitsamleg stjórnun á núverandi rafhlöðutegundum gæti bætt afköst og endingartíma fullrar rafhlöðupakka, sem getur innihaldið hundruð eða þúsundir frumna.

Hágæða rafhlöðulíkan

Sem fyrsta skref smíðuðu vísindamennirnir tölvulíkan af hegðun rafhlöðu sem nákvæmlega endurspeglaði þær eðlisfræðilegu og efnafræðilegu breytingar sem eiga sér stað inni í rafhlöðu á líftíma hennar. Sumar þessara breytinga eiga sér stað á nokkrum sekúndum eða mínútum - aðrar á mánuðum eða jafnvel árum.

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

Að keyra líkanið á hermunum benti til þess að hægt sé að hámarka og stjórna nútíma rafhlöðupakka með því að taka tillit til mismunandi frumna í honum. Onori og samstarfsmenn sjá fyrir sér að líkan þeirra verði notað til að leiðbeina þróun rafhlöðustjórnunarkerfa á komandi árum sem auðvelt er að nota í núverandi hönnun ökutækja.

Það eru ekki bara rafknúin ökutæki sem munu njóta góðs af þessu. Nánast öll forrit sem „leggja mikla áherslu á rafhlöðupakkann“ gætu verið góður kostur fyrir betri stjórnun miðað við nýju niðurstöðurnar, sagði Onori. Eitt dæmi? Drónalík flugvélar með rafknúinni lóðréttri flugtaki og lendingu, stundum kallaðar eVTOL, sem sumir frumkvöðlar búast við að muni starfa sem loftleigubílar og veita aðra þjónustu við samgöngur í þéttbýli á næsta áratug. Hins vegar laða önnur forrit fyrir endurhlaðanlegar litíum-jón rafhlöður að sér, þar á meðal almenn flug og stórfelld geymsla endurnýjanlegrar orku.

„Litíumjónarafhlöður hafa þegar breytt heiminum á svo marga vegu,“ sagði Onori. „Það er mikilvægt að við fáum eins mikið og við mögulega getum út úr þessari byltingarkenndu tækni og arftaka hennar.“