Hemligheten bakom lång livslängd för uppladdningsbara batterier kan ligga i en omfamning av skillnad.Ny modellering av hur litiumjonceller i en förpackning försämras visar ett sätt att skräddarsy laddningen till varje cells kapacitet så att elbilsbatterier kan hantera fler laddningscykler och avvärja fel.

Forskningen, publicerad 5 november inIEEE-transaktioner på styrsystemsteknik, visar hur aktiv hantering av mängden elektrisk ström som flyter till varje cell i en förpackning, snarare än att leverera laddning enhetligt, kan minimera slitage.Tillvägagångssättet tillåter effektivt varje cell att leva sitt bästa – och längsta – liv.

Enligt Stanford-professorn och senior studieförfattaren Simona Onori tyder initiala simuleringar på att batterier som hanteras med den nya tekniken skulle kunna hantera minst 20 % fler laddnings-urladdningscykler, även med frekvent snabbladdning, vilket belastar batteriet extra.

De flesta tidigare ansträngningar för att förlänga elbilsbatteriets livslängd har fokuserat på att förbättra designen, materialen och tillverkningen av enstaka celler, baserat på antagandet att ett batteripaket, som länkar i en kedja, bara är lika bra som sin svagaste cell.Den nya studien börjar med en förståelse att även om svaga länkar är oundvikliga – på grund av tillverkningsfel och eftersom vissa celler bryts ned snabbare än andra när de utsätts för påfrestningar som värme – behöver de inte få ner hela packningen.Nyckeln är att skräddarsy laddningshastigheterna till varje cells unika kapacitet för att förhindra fel.

"Om de inte hanteras på rätt sätt kan cell-till-cell-heterogenitet äventyra livslängden, hälsan och säkerheten för ett batteripaket och inducera ett tidigt batterifel", säger Onori, som är biträdande professor i energivetenskap vid Stanford Doerr Skolan för hållbarhet."Vårt tillvägagångssätt utjämnar energin i varje cell i förpackningen, vilket för alla celler till det slutliga laddningstillståndet på ett balanserat sätt och förbättrar förpackningens livslängd."

Inspirerad till att bygga ett batteri på miljoner mil

En del av drivkraften för den nya forskningen går tillbaka till ett tillkännagivande från Tesla, elbilsföretaget 2020, om arbetet med ett "miljonmilsbatteri".Detta skulle vara ett batteri som kan driva en bil i 1 miljon miles eller mer (med vanlig laddning) innan det når den punkt där, som litiumjonbatteriet i en gammal telefon eller bärbar dator, EV:s batteri håller för lite laddning för att fungera .

Ett sådant batteri skulle överstiga biltillverkares typiska garanti för elfordonsbatterier på åtta år eller 100 000 miles.Även om batteripaket rutinmässigt håller längre än garantin, kan konsumenternas förtroende för elfordon stärkas om dyra batteribyten blev sällsyntare.Ett batteri som fortfarande kan hålla en laddning efter tusentals laddningar kan också underlätta elektrifieringen av långdistanslastbilar och för införandet av så kallade fordon-till-nätsystem, där EV-batterier skulle lagra och skicka förnybar energi för elnätet.

"Det förklarades senare att batterikonceptet för miljoner mil inte egentligen var en ny kemi, utan bara ett sätt att driva batteriet genom att inte få det att använda hela laddningsområdet," sa Onori.Relaterad forskning har fokuserat på enstaka litiumjonceller, som i allmänhet inte förlorar laddningskapacitet lika snabbt som fulla batteripaket gör.

Intresserade beslutade Onori och två forskare i hennes labb – postdoktorn Vahid Azimi och doktorand Anirudh Allam – att undersöka hur uppfinningsrik hantering av befintliga batterityper kan förbättra prestandan och livslängden för ett fullt batteripaket, som kan innehålla hundratals eller tusentals celler .

En högfientlig batterimodell

Som ett första steg skapade forskarna en högfientlig datormodell av batteribeteende som exakt representerade de fysiska och kemiska förändringarna som sker inuti ett batteri under dess livslängd.Vissa av dessa förändringar utspelar sig på några sekunder eller minuter – andra under månader eller till och med år.

"Såvitt vi vet har ingen tidigare studie använt den typ av högtrohet, multi-timescale batterimodell som vi skapade", säger Onori, som är chef för Stanford Energy Control Lab.

Att köra simuleringar med modellen föreslog att ett modernt batteripaket kan optimeras och kontrolleras genom att omfamna skillnader mellan dess ingående celler.Onori och kollegor föreställer sig att deras modell kommer att användas för att styra utvecklingen av batterihanteringssystem under de kommande åren som enkelt kan användas i befintliga fordonsdesigner.

Det är inte bara elfordon som gynnas.Praktiskt taget alla applikationer som "stressar batteripaketet mycket" skulle kunna vara en bra kandidat för bättre ledning informerad av de nya resultaten, sa Onori.Ett exempel?Drönarliknande flygplan med elektrisk vertikal start och landning, ibland kallad eVTOL, som vissa entreprenörer förväntar sig ska fungera som flygtaxi och tillhandahålla andra stadsflygtjänster under det kommande decenniet.Ändå lockar andra applikationer för uppladdningsbara litiumjonbatterier, inklusive allmänflyg och storskalig lagring av förnybar energi.

"Litiumjonbatterier har redan förändrat världen på så många sätt," sa Onori."Det är viktigt att vi får ut så mycket vi kan av denna transformativa teknik och dess efterföljare som kommer."