قد يكمن سر العمر الطويل للبطاريات القابلة لإعادة الشحن في احتضان الاختلاف.تُظهر النمذجة الجديدة لكيفية تحلل خلايا أيون الليثيوم الموجودة في العبوة طريقة لتخصيص الشحن وفقًا لسعة كل خلية حتى تتمكن بطاريات السيارات الكهربائية من التعامل مع المزيد من دورات الشحن وتجنب الفشل.

البحث، نشر في 5 نوفمبرمعاملات IEEE على تكنولوجيا أنظمة التحكميوضح كيف أن الإدارة الفعالة لكمية التيار الكهربائي المتدفق إلى كل خلية في العبوة، بدلاً من توصيل الشحنة بشكل موحد، يمكن أن تقلل من التآكل.يسمح هذا النهج بفعالية لكل خلية بأن تعيش أفضل وأطول حياة لها.

وفقًا لأستاذ جامعة ستانفورد وكبير مؤلفي الدراسة سيمونا أونوري، تشير عمليات المحاكاة الأولية إلى أن البطاريات المُدارة باستخدام التكنولوجيا الجديدة يمكنها التعامل مع دورات تفريغ الشحن بنسبة 20% على الأقل، حتى مع الشحن السريع المتكرر، مما يضع ضغطًا إضافيًا على البطارية.

ركزت معظم الجهود السابقة لإطالة عمر بطارية السيارة الكهربائية على تحسين التصميم والمواد وتصنيع الخلايا المفردة، استنادا إلى فرضية مفادها أن جودة حزمة البطارية، مثل الروابط في السلسلة، لا تقل جودة عن أضعف خليتها.تبدأ الدراسة الجديدة بفهم أنه على الرغم من أن الروابط الضعيفة أمر لا مفر منه - بسبب عيوب التصنيع ولأن بعض الخلايا تتحلل بشكل أسرع من غيرها عندما تتعرض لضغوط مثل الحرارة - إلا أنها لا تحتاج إلى إسقاط المجموعة بأكملها.المفتاح هو تصميم معدلات الشحن وفقًا للسعة الفريدة لكل خلية لتفادي الفشل.

وقال أونوري، وهو أستاذ مساعد في هندسة علوم الطاقة في جامعة ستانفورد دوير: "إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح، فإن عدم التجانس من خلية إلى أخرى يمكن أن يضر بطول عمر البطارية وصحتها وسلامتها ويؤدي إلى حدوث خلل مبكر في حزمة البطارية". مدرسة الاستدامة."يعمل نهجنا على مساواة الطاقة في كل خلية في العبوة، مما يؤدي إلى وصول جميع الخلايا إلى حالة الشحن النهائية المستهدفة بطريقة متوازنة وتحسين طول عمر العبوة."

مصدر إلهام لبناء بطارية مليون ميل

يعود جزء من الدافع وراء البحث الجديد إلى إعلان شركة السيارات الكهربائية Tesla عام 2020، عن العمل على “بطارية تدوم مليون ميل”.ستكون هذه بطارية قادرة على تشغيل السيارة لمسافة مليون ميل أو أكثر (مع الشحن المنتظم) قبل الوصول إلى النقطة التي، مثل بطارية الليثيوم أيون في الهاتف القديم أو الكمبيوتر المحمول، تحتوي بطارية السيارة الكهربائية على شحنة قليلة جدًا بحيث لا يمكن تشغيلها .

وتتجاوز مثل هذه البطارية الضمان النموذجي الذي تقدمه شركات صناعة السيارات لبطاريات السيارات الكهربائية لمدة ثماني سنوات أو 100 ألف ميل.على الرغم من أن حزم البطاريات تدوم بشكل روتيني لفترة أطول من فترة الضمان، إلا أنه يمكن تعزيز ثقة المستهلك في السيارات الكهربائية إذا أصبحت عمليات استبدال البطاريات الباهظة الثمن أكثر ندرة.يمكن للبطارية التي لا تزال قادرة على الاحتفاظ بالشحن بعد آلاف عمليات إعادة الشحن أن تسهل الطريق أيضًا لكهربة الشاحنات طويلة المدى، واعتماد ما يسمى بأنظمة توصيل السيارة بالشبكة، حيث تقوم بطاريات السيارات الكهربائية بتخزين الطاقة المتجددة وإرسالها شبكة الكهرباء.

وقال أونوري: "لقد تم توضيح ذلك لاحقًا أن مفهوم بطارية المليون ميل لم يكن في الواقع كيمياء جديدة، ولكنه مجرد وسيلة لتشغيل البطارية من خلال عدم جعلها تستخدم نطاق الشحن الكامل".وقد ركزت الأبحاث ذات الصلة على خلايا أيون الليثيوم المفردة، والتي بشكل عام لا تفقد سعة الشحن بنفس السرعة التي تفقد بها البطاريات الكاملة.

قررت أونوري واثنان من الباحثين في مختبرها، الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه وحيد عظيمي وطالب الدكتوراه أنيرود علام، مفتونين بذلك، التحقيق في كيف يمكن للإدارة المبتكرة لأنواع البطاريات الحالية أن تحسن الأداء وعمر الخدمة لمجموعة بطارية كاملة، والتي قد تحتوي على مئات أو آلاف الخلايا. .

نموذج بطارية عالي الدقة

كخطوة أولى، قام الباحثون بصياغة نموذج حاسوبي عالي الدقة لسلوك البطارية الذي يمثل بدقة التغيرات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث داخل البطارية خلال عمرها التشغيلي.تتكشف بعض هذه التغييرات في غضون ثوانٍ أو دقائق، والبعض الآخر خلال أشهر أو حتى سنوات.

وقال أونوري، وهو مدير مختبر التحكم في الطاقة في جامعة ستانفورد: "على حد علمنا، لم تستخدم أي دراسة سابقة هذا النوع من نموذج البطارية عالي الدقة ومتعدد الفترات الزمنية الذي أنشأناه".

تشير عمليات المحاكاة الجارية باستخدام النموذج إلى أنه يمكن تحسين حزمة البطاريات الحديثة والتحكم فيها من خلال احتضان الاختلافات بين الخلايا المكونة لها.ويتصور أونوري وزملاؤه أن يتم استخدام نموذجهم لتوجيه عملية تطوير أنظمة إدارة البطاريات في السنوات القادمة، والتي يمكن نشرها بسهولة في تصميمات المركبات الحالية.

ليست السيارات الكهربائية فقط هي التي ستستفيد.وقال أونوري إن أي تطبيق "يضغط على حزمة البطارية كثيرًا" تقريبًا يمكن أن يكون مرشحًا جيدًا لإدارة أفضل مستنيرة بالنتائج الجديدة.مثال واحد؟طائرات تشبه الطائرات بدون طيار ذات إقلاع وهبوط عمودي كهربائي، تسمى أحيانًا eVTOL، والتي يتوقع بعض رواد الأعمال تشغيلها كسيارات أجرة جوية وتوفير خدمات التنقل الجوي الحضرية الأخرى على مدى العقد المقبل.ومع ذلك، هناك تطبيقات أخرى لبطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن، بما في ذلك الطيران العام وتخزين الطاقة المتجددة على نطاق واسع.

وقال أونوري: "لقد غيرت بطاريات الليثيوم أيون العالم بالفعل بعدة طرق"."من المهم أن نستفيد قدر الإمكان من هذه التكنولوجيا التحويلية وخلفائها في المستقبل."