Hemligheten bakom lång livslängd för laddningsbara batterier kan ligga i en omfamning av olikhet. Ny modellering av hur litiumjonceller i ett batteri bryts ner visar ett sätt att skräddarsy laddningen till varje cells kapacitet så att elbilsbatterier kan hantera fler laddningscykler och förhindra fel.

Forskningen, publicerad 5 november iIEEE-transaktioner om styrsystemteknik, visar hur man kan minimera slitage genom att aktivt hantera mängden elektrisk ström som flödar till varje cell i ett paket, snarare än att leverera laddning jämnt. Metoden gör att varje cell kan leva sitt bästa – och längsta – liv.

Enligt Stanfordprofessorn och seniorförfattaren till studien, Simona Onori, tyder inledande simuleringar på att batterier som hanteras med den nya tekniken skulle kunna hantera minst 20 % fler laddnings- och urladdningscykler, även med frekvent snabbladdning, vilket belastar batteriet extra.

De flesta tidigare ansträngningar för att förlänga livslängden på elbilsbatterier har fokuserat på att förbättra design, material och tillverkning av enskilda celler, baserat på förutsättningen att ett batteripaket, precis som länkar i en kedja, bara är så bra som sin svagaste cell. Den nya studien utgår från en förståelse för att även om svaga länkar är oundvikliga – på grund av tillverkningsfel och eftersom vissa celler bryts ner snabbare än andra när de utsätts för påfrestningar som värme – behöver de inte riva ner hela paketet. Nyckeln är att skräddarsy laddningshastigheterna till varje cells unika kapacitet för att avvärja fel.

”Om det inte åtgärdas på rätt sätt kan cell-till-cell-heterogeniteter äventyra ett batteripakets livslängd, hälsa och säkerhet och orsaka ett tidigt batterifel”, säger Onori, som är biträdande professor i energiteknik vid Stanford Doerr School of Sustainability. ”Vår metod utjämnar energin i varje cell i paketet, vilket bringar alla celler till det slutliga målladdningstillståndet på ett balanserat sätt och förbättrar paketets livslängd.”

Inspirerad att bygga ett batteri som räcker en miljon kilometer

En del av drivkraften bakom den nya forskningen kan spåras tillbaka till ett tillkännagivande från elbilsföretaget Tesla år 2020 om arbete med ett "miljonmilsbatteri". Detta skulle vara ett batteri som kan driva en bil i 1 miljon mil eller mer (med vanlig laddning) innan det når den punkt där, precis som litiumjonbatteriet i en gammal telefon eller bärbar dator, elbilens batteri har för lite laddning för att fungera.

Ett sådant batteri skulle överskrida biltillverkares typiska garanti för elbilsbatterier på åtta år eller 160 000 km. Även om batteripaket regelbundet överträffar sin garanti, skulle konsumenternas förtroende för elbilar kunna stärkas om dyra batteripaketbyten blir ännu mer ovanlig. Ett batteri som fortfarande kan hålla laddningen efter tusentals laddningar skulle också kunna underlätta elektrifiering av långdistanslastbilar och för införandet av så kallade vehicle-to-grid-system, där elbilsbatterier skulle lagra och leverera förnybar energi till elnätet.

”Det förklarades senare att konceptet med miljonmilsbatterier egentligen inte var en ny kemi, utan bara ett sätt att driva batteriet genom att inte låta det använda hela laddningsområdet”, sa Onori. Relaterad forskning har fokuserat på enskilda litiumjonceller, som i allmänhet inte förlorar laddningskapacitet lika snabbt som fulla batteripaket.

Nyfikna bestämde sig Onori och två forskare i hennes laboratorium – postdoktorn Vahid Azimi och doktoranden Anirudh Allam – för att undersöka hur innovativ hantering av befintliga batterityper skulle kunna förbättra prestanda och livslängd för ett komplett batteripaket, som kan innehålla hundratals eller tusentals celler.

En högpresterande batterimodell

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

"Så vitt vi vet har ingen tidigare studie använt den typ av högkvalitativ batterimodell med flera tidsskalor som vi skapade", säger Onori, som är chef för Stanford Energy Control Lab.

Genom att köra simuleringar med modellen antyddes att ett modernt batteripaket kan optimeras och kontrolleras genom att ta hänsyn till skillnader mellan dess ingående celler. Onori och kollegor föreställer sig att deras modell kommer att användas för att vägleda utvecklingen av batterihanteringssystem under de kommande åren som enkelt kan implementeras i befintliga fordonskonstruktioner.

Det är inte bara elfordon som kan gynnas. Praktiskt taget alla tillämpningar som "belastar batteripaketet mycket" skulle kunna vara en bra kandidat för bättre hantering baserat på 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 lufttaxi och tillhandahålla andra urbana flygmobilitetstjänster under det kommande decenniet. Andra tillämpningar för laddningsbara litiumjonbatterier lockar dock, inklusive allmänflyget 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 som möjligt av denna transformerande teknik och dess kommande efterföljare.”