Il segreto per una lunga durata delle batterie ricaricabili potrebbe risiedere nell'accettazione delle differenze. Nuovi modelli di degrado delle celle agli ioni di litio in un pacco batterie mostrano un modo per adattare la ricarica alla capacità di ciascuna cella, in modo che le batterie dei veicoli elettrici possano gestire un maggior numero di cicli di carica e scongiurare i guasti.

La ricerca, pubblicata il 5 novembre inIEEE Transactions on Control Systems TechnologyQuesto studio dimostra come la gestione attiva della quantità di corrente elettrica che fluisce verso ciascuna cella di un pacco batterie, anziché l'erogazione uniforme della carica, possa ridurre al minimo l'usura. In questo modo, ogni cella può raggiungere le massime prestazioni e la massima durata di vita.

Secondo Simona Onori, professoressa di Stanford e autrice principale dello studio, le simulazioni iniziali suggeriscono che le batterie gestite con la nuova tecnologia potrebbero sopportare almeno il 20% in più di cicli di carica-scarica, anche con frequenti ricariche rapide, che sottopongono la batteria a uno stress maggiore.

La maggior parte dei precedenti tentativi di prolungare la durata delle batterie delle auto elettriche si è concentrata sul miglioramento della progettazione, dei materiali e della produzione delle singole celle, partendo dal presupposto che, come gli anelli di una catena, un pacco batterie sia valido solo quanto la sua cella più debole. Il nuovo studio parte dal presupposto che, sebbene gli anelli deboli siano inevitabili – a causa di imperfezioni di fabbricazione e perché alcune celle si degradano più velocemente di altre se esposte a stress come il calore – non necessariamente compromettono l'intero pacco. La chiave è adattare le velocità di carica alla capacità specifica di ciascuna cella per evitare guasti.

"Se non gestite correttamente, le eterogeneità tra le celle possono compromettere la durata, l'integrità e la sicurezza di un pacco batterie e causare un malfunzionamento precoce", ha affermato Onori, professore assistente di ingegneria energetica presso la Stanford Doerr School of Sustainability. "Il nostro approccio uniforma l'energia in ogni cella del pacco, portando tutte le celle allo stato di carica finale desiderato in modo bilanciato e migliorando la durata del pacco."

Ispirato a costruire una batteria da un milione di miglia

L'impulso per la nuova ricerca risale in parte all'annuncio del 2020 da parte di Tesla, la casa automobilistica di veicoli elettrici, relativo allo sviluppo di una "batteria da un milione di miglia". Si tratterebbe di una batteria in grado di alimentare un'auto per un milione di miglia o più (con ricariche regolari) prima di raggiungere il punto in cui, come le batterie agli ioni di litio di un vecchio telefono o laptop, la carica della batteria del veicolo elettrico è troppo bassa per essere funzionante.

Una batteria di questo tipo supererebbe la garanzia tipica offerta dalle case automobilistiche per le batterie dei veicoli elettrici, che si attesta sugli otto anni o 100.000 miglia. Sebbene i pacchi batteria durino generalmente più a lungo del periodo di garanzia, la fiducia dei consumatori nei veicoli elettrici potrebbe essere rafforzata se le costose sostituzioni dei pacchi batteria diventassero ancora più rare. Una batteria in grado di mantenere la carica anche dopo migliaia di cicli di ricarica potrebbe inoltre agevolare l'elettrificazione dei camion per il trasporto a lunga distanza e l'adozione dei cosiddetti sistemi vehicle-to-grid, in cui le batterie dei veicoli elettrici immagazzinerebbero e immetterebbero energia rinnovabile nella rete elettrica.

"In seguito è stato spiegato che il concetto di batteria da un milione di miglia non era in realtà una nuova chimica, ma semplicemente un modo di far funzionare la batteria evitando di consumare tutta la sua capacità di carica", ha affermato Onori. La ricerca correlata si è concentrata sulle singole celle agli ioni di litio, che in genere non perdono capacità di carica con la stessa rapidità dei pacchi batteria completi.

Incuriosita, Onori e due ricercatori del suo laboratorio – il borsista post-dottorato Vahid Azimi e il dottorando Anirudh Allam – hanno deciso di studiare come una gestione innovativa dei tipi di batterie esistenti potesse migliorare le prestazioni e la durata di un pacco batterie completo, che può contenere centinaia o migliaia di celle.

Un modello di batteria ad alta fedeltà

Come primo passo, i ricercatori hanno creato un modello computerizzato ad alta fedeltà del comportamento delle batterie, in grado di rappresentare accuratamente i cambiamenti fisici e chimici che avvengono al loro interno durante il loro ciclo di vita. Alcuni di questi cambiamenti si verificano in pochi secondi o minuti, altri nell'arco di mesi o addirittura anni.

"Per quanto ne sappiamo, nessuno studio precedente ha utilizzato il tipo di modello di batteria ad alta fedeltà e multi-scala temporale che abbiamo creato", ha affermato Onori, direttore dello Stanford Energy Control Lab.

Le simulazioni effettuate con il modello hanno suggerito che un moderno pacco batterie può essere ottimizzato e controllato sfruttando le differenze tra le sue celle costituenti. Onori e colleghi prevedono che il loro modello verrà utilizzato nei prossimi anni per guidare lo sviluppo di sistemi di gestione delle batterie facilmente implementabili nei veicoli esistenti.

Non sono solo i veicoli elettrici a poter trarre vantaggio. Praticamente qualsiasi applicazione che "solleciti notevolmente il pacco batterie" potrebbe essere una buona candidata per una migliore gestione basata sui nuovi risultati, ha affermato Onori. Un esempio? Velivoli simili a droni con decollo e atterraggio verticale elettrico, a volte chiamati eVTOL, che alcuni imprenditori prevedono di utilizzare come taxi aerei e per fornire altri servizi di mobilità aerea urbana nel prossimo decennio. Tuttavia, si prospettano anche altre applicazioni per le batterie ricaricabili agli ioni di litio, tra cui l'aviazione generale e lo stoccaggio su larga scala di energia rinnovabile.

"Le batterie agli ioni di litio hanno già cambiato il mondo in moltissimi modi", ha affermato Onori. "È importante che sfruttiamo al massimo questa tecnologia rivoluzionaria e le sue future evoluzioni."