Bí quyết để có tuổi thọ cao cho pin sạc có thể nằm ở sự khác biệt.Mô hình mới về cách các tế bào lithium-ion trong một gói xuống cấp cho thấy một cách điều chỉnh việc sạc phù hợp với công suất của từng tế bào để pin EV có thể xử lý nhiều chu kỳ sạc hơn và ngăn chặn sự cố.

Nghiên cứu được công bố ngày 5 tháng 11 trên tạp chíGiao dịch của IEEE về Công nghệ Hệ thống Điều khiển, cho thấy việc quản lý tích cực lượng dòng điện chạy đến từng tế bào trong một gói, thay vì phân phối điện tích đồng đều, có thể giảm thiểu hao mòn như thế nào.Cách tiếp cận này cho phép mỗi tế bào có được tuổi thọ tốt nhất và lâu nhất một cách hiệu quả.

Theo giáo sư Stanford và tác giả nghiên cứu cấp cao Simona Onori, các mô phỏng ban đầu cho thấy pin được quản lý bằng công nghệ mới có thể xử lý chu kỳ sạc-xả nhiều hơn ít nhất 20%, ngay cả khi sạc nhanh thường xuyên, điều này gây thêm căng thẳng cho pin.

Hầu hết những nỗ lực trước đây nhằm kéo dài tuổi thọ của pin ô tô điện đều tập trung vào việc cải tiến thiết kế, vật liệu và sản xuất các tế bào đơn lẻ, dựa trên tiền đề rằng, giống như các mắt xích trong một chuỗi, bộ pin chỉ hoạt động tốt khi tế bào yếu nhất của nó.Nghiên cứu mới bắt đầu với sự hiểu biết rằng mặc dù các liên kết yếu là không thể tránh khỏi – do sự không hoàn hảo trong quá trình sản xuất và do một số tế bào xuống cấp nhanh hơn những tế bào khác khi chúng tiếp xúc với áp lực như nhiệt – nhưng chúng không cần phải phá hủy toàn bộ tế bào.Điều quan trọng là điều chỉnh tốc độ sạc phù hợp với công suất riêng của từng ô để ngăn chặn sự cố.

Onori, trợ lý giáo sư về kỹ thuật khoa học năng lượng tại Stanford Doerr, cho biết: “Nếu không được giải quyết đúng cách, sự không đồng nhất giữa các tế bào có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ, sức khỏe và sự an toàn của bộ pin và gây ra sự cố sớm cho bộ pin”. Trường bền vững.“Phương pháp tiếp cận của chúng tôi cân bằng năng lượng trong từng tế bào trong gói, đưa tất cả các tế bào về trạng thái sạc mục tiêu cuối cùng một cách cân bằng và cải thiện tuổi thọ của gói.”

Lấy cảm hứng để chế tạo pin chạy được hàng triệu dặm

Một phần động lực cho nghiên cứu mới bắt nguồn từ thông báo năm 2020 của Tesla, công ty ô tô điện, về việc phát triển “pin chạy được hàng triệu dặm”.Đây sẽ là loại pin có khả năng cung cấp năng lượng cho ô tô đi được 1 triệu dặm trở lên (với sạc thường xuyên) trước khi đạt đến mức, giống như pin lithium-ion trong điện thoại hoặc máy tính xách tay cũ, pin của xe điện có quá ít điện tích để có thể hoạt động. .

Loại pin như vậy sẽ vượt quá mức bảo hành thông thường của các nhà sản xuất ô tô dành cho pin xe điện là 8 năm hoặc 100.000 dặm.Mặc dù các bộ pin thường có thời gian bảo hành lâu hơn nhưng niềm tin của người tiêu dùng đối với xe điện có thể được củng cố nếu việc thay thế bộ pin đắt tiền vẫn ngày càng hiếm.Một loại pin vẫn có thể sạc sau hàng nghìn lần sạc cũng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình điện khí hóa xe tải đường dài và áp dụng cái gọi là hệ thống phương tiện nối lưới, trong đó pin EV sẽ lưu trữ và phân phối năng lượng tái tạo cho lưới điện.

Onori nói: “Sau đó người ta giải thích rằng khái niệm pin chạy được hàng triệu dặm không thực sự là một phương pháp hóa học mới mà chỉ là một cách để vận hành pin bằng cách không bắt nó sử dụng hết phạm vi sạc đầy”.Nghiên cứu liên quan tập trung vào các tế bào lithium-ion đơn lẻ, thường không mất khả năng sạc nhanh như các bộ pin đầy.

Bị hấp dẫn, Onori và hai nhà nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của cô – học giả sau tiến sĩ Vahid Azimi và nghiên cứu sinh Anirudh Allam – đã quyết định điều tra cách quản lý sáng tạo các loại pin hiện có có thể cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của một bộ pin đầy, có thể chứa hàng trăm hoặc hàng nghìn tế bào. .

Mẫu pin có độ trung thực cao

Bước đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một mô hình máy tính có độ chính xác cao về hoạt động của pin, thể hiện chính xác những thay đổi vật lý và hóa học diễn ra bên trong pin trong suốt thời gian hoạt động.Một số thay đổi này diễn ra chỉ trong vài giây hoặc vài phút - những thay đổi khác diễn ra trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm.

Onori, giám đốc Phòng thí nghiệm Kiểm soát Năng lượng Stanford, cho biết: “Theo hiểu biết tốt nhất của chúng tôi, chưa có nghiên cứu nào trước đây sử dụng loại mô hình pin đa thời gian, độ chính xác cao mà chúng tôi đã tạo ra”.

Việc chạy mô phỏng với mô hình này cho thấy rằng một bộ pin hiện đại có thể được tối ưu hóa và kiểm soát bằng cách tận dụng sự khác biệt giữa các tế bào cấu thành của nó.Onori và các đồng nghiệp hình dung mô hình của họ sẽ được sử dụng để hướng dẫn phát triển hệ thống quản lý pin trong những năm tới và có thể dễ dàng triển khai trong các thiết kế xe hiện có.

Không chỉ xe điện mới được hưởng lợi.Onori cho biết, hầu như bất kỳ ứng dụng nào “làm hao pin nhiều” đều có thể là ứng cử viên sáng giá để quản lý tốt hơn dựa trên kết quả mới.Một ví dụ?Máy bay giống máy bay không người lái có khả năng cất và hạ cánh thẳng đứng bằng điện, đôi khi được gọi là eVTOL, mà một số doanh nhân mong đợi sẽ hoạt động như taxi hàng không và cung cấp các dịch vụ di chuyển hàng không đô thị khác trong thập kỷ tới.Tuy nhiên, các ứng dụng khác của pin lithium-ion có thể sạc lại đang vẫy gọi, bao gồm hàng không nói chung và lưu trữ năng lượng tái tạo quy mô lớn.

Onori nói: “Pin lithium-ion đã thay đổi thế giới theo nhiều cách.“Điều quan trọng là chúng tôi thu được nhiều nhất có thể từ công nghệ biến đổi này và những công nghệ kế thừa của nó sắp ra mắt.”