Il segreto della lunga durata delle batterie ricaricabili potrebbe risiedere nell’abbraccio della differenza.Una nuova modellazione del modo in cui le celle agli ioni di litio in un pacco si degradano mostra un modo per adattare la ricarica alla capacità di ciascuna cella in modo che le batterie dei veicoli elettrici possano gestire più cicli di carica ed evitare guasti.

La ricerca, pubblicata il 5 novembre inTransazioni IEEE sulla tecnologia dei sistemi di controllo, mostra come la gestione attiva della quantità di corrente elettrica che fluisce verso ciascuna cella di un pacco, anziché fornire la carica in modo uniforme, può ridurre al minimo l’usura.L’approccio consente effettivamente a ciascuna cellula di vivere la sua vita migliore e più lunga.

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

La maggior parte degli sforzi precedenti per prolungare la durata delle batterie delle auto elettriche si sono concentrati sul miglioramento della progettazione, dei materiali e della produzione delle singole celle, sulla base della premessa che, come gli anelli di una catena, un pacco batteria è efficace quanto la sua cella più debole.Il nuovo studio inizia con la consapevolezza che mentre gli anelli deboli sono inevitabili – a causa delle imperfezioni di produzione e perché alcune cellule si degradano più velocemente di altre quando sono esposte a stress come il calore – non è necessario che distruggano l’intero pacchetto.La chiave è adattare le tariffe di ricarica alla capacità unica di ciascuna cella per evitare guasti.

"Se non affrontate adeguatamente, le eterogeneità tra cellule possono compromettere la longevità, la salute e la sicurezza di un pacco batteria e indurre un malfunzionamento precoce del pacco batteria", ha affermato Onori, assistente professore di ingegneria delle scienze energetiche presso la Stanford Doerr. Scuola di Sostenibilità.“Il nostro approccio equalizza l’energia in ciascuna cella del pacco, portando tutte le celle allo stato di carica finale desiderato in modo equilibrato e migliorando la longevità del pacco”.

Ispirato a costruire una batteria da un milione di miglia

Parte dell’impulso per la nuova ricerca risale all’annuncio del 2020 da parte di Tesla, la società di auto elettriche, di lavorare su una “batteria da un milione di miglia”.Si tratterebbe di una batteria in grado di alimentare un'auto per 1 milione di miglia o più (con ricarica regolare) prima di raggiungere il punto in cui, come la batteria agli ioni di litio di un vecchio telefono o laptop, la batteria del veicolo elettrico mantiene troppo poca carica per essere funzionale. .

Una batteria di questo tipo supererebbe la garanzia tipica delle case automobilistiche per le batterie dei veicoli elettrici di otto anni o 100.000 miglia.Sebbene le batterie di solito superino la loro garanzia, la fiducia dei consumatori nei veicoli elettrici potrebbe essere rafforzata se le costose sostituzioni delle batterie diventassero ancora più rare.Una batteria in grado di mantenere la carica anche dopo migliaia di ricariche potrebbe anche aprire la strada all’elettrificazione dei camion a lungo raggio e all’adozione dei cosiddetti sistemi Vehicle-to-Grid, in cui le batterie dei veicoli elettrici immagazzinerebbero e disporrebbero energia rinnovabile per la rete elettrica.

"Successivamente è stato spiegato che il concetto di batteria da un milione di miglia non era in realtà una nuova chimica, ma solo un modo per far funzionare la batteria non facendole utilizzare l'intera autonomia di carica", ha detto Onori.La ricerca correlata si è concentrata sulle singole celle agli ioni di litio, che generalmente non perdono capacità di carica così rapidamente come fanno i pacchi batteria completi.

Incuriosita, Onori e due ricercatori del suo laboratorio – lo studioso post-dottorato Vahid Azimi e il dottorando Anirudh Allam – hanno deciso di studiare come una gestione creativa dei tipi di batterie esistenti potrebbe migliorare le prestazioni e la durata di un pacco batteria 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 della batteria che rappresentava accuratamente i cambiamenti fisici e chimici che avvengono all’interno di una batteria durante la sua vita operativa.Alcuni di questi cambiamenti si manifestano nel giro di 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.

L'esecuzione di simulazioni con il modello ha suggerito che un moderno pacco batteria può essere ottimizzato e controllato abbracciando 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 che possano essere facilmente implementati nei progetti di veicoli esistenti.

Non sono solo i veicoli elettrici a trarne vantaggio.Praticamente qualsiasi applicazione che “sottolinea molto la batteria” potrebbe essere un buon candidato per una migliore gestione basata sui nuovi risultati, ha affermato Onori.Un esempio?Aerei simili a droni con decollo e atterraggio verticale elettrici, a volte chiamati eVTOL, che alcuni imprenditori si aspettano funzioneranno come aerotaxi e forniranno altri servizi di mobilità aerea urbana nel prossimo decennio.Tuttavia, altre applicazioni per le batterie ricaricabili agli ioni di litio invitano, 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 tanti modi”, ha detto Onori.“È importante ottenere il massimo da questa tecnologia trasformativa e dai suoi successori a venire”.