Şarj edilebilir bataryaların uzun ömürlü olmasının sırrı, farklılıkları benimsemekte yatıyor olabilir. Bir batarya paketindeki lityum iyon hücrelerinin nasıl bozulduğuna dair yeni modellemeler, her hücrenin kapasitesine göre şarjı uyarlamanın bir yolunu göstererek, elektrikli araç bataryalarının daha fazla şarj döngüsünü kaldırabilmesini ve arızayı önleyebilmesini sağlıyor.

Araştırma, 5 Kasım'da yayınlandı.IEEE Kontrol Sistemleri Teknolojisi İşlemleriBu çalışma, pil paketindeki her bir hücreye giden elektrik akımının miktarını, şarjı eşit şekilde dağıtmak yerine aktif olarak yönetmenin, aşınma ve yıpranmayı nasıl en aza indirebileceğini göstermektedir. Bu yaklaşım, her bir hücrenin en iyi ve en uzun ömrünü yaşamasını etkili bir şekilde sağlar.

Stanford Üniversitesi profesörü ve çalışmanın kıdemli yazarı Simona Onori'ye göre, ilk simülasyonlar, yeni teknolojiyle yönetilen bataryaların, bataryaya ekstra yük bindiren sık hızlı şarj işleminde bile en az %20 daha fazla şarj-deşarj döngüsünü kaldırabileceğini gösteriyor.

Elektrikli otomobil bataryalarının ömrünü uzatmaya yönelik önceki çalışmaların çoğu, bir zincirdeki halkalar gibi, bir batarya paketinin ancak en zayıf hücresi kadar iyi olduğu varsayımına dayanarak, tek hücrelerin tasarımını, malzemelerini ve üretimini iyileştirmeye odaklanmıştır. Yeni çalışma, üretim kusurları ve bazı hücrelerin ısı gibi streslere maruz kaldıkça diğerlerinden daha hızlı bozulması nedeniyle zayıf halkaların kaçınılmaz olduğu anlayışıyla başlıyor; ancak bu durum tüm paketi çökertmek zorunda değil. Anahtar nokta, arızayı önlemek için şarj oranlarını her hücrenin benzersiz kapasitesine göre uyarlamaktır.

Stanford Doerr Sürdürülebilirlik Okulu'nda enerji bilimi mühendisliği alanında yardımcı doçent olan Onori, "Hücreler arası heterojenlikler, doğru şekilde ele alınmadığı takdirde, batarya paketinin ömrünü, sağlığını ve güvenliğini tehlikeye atabilir ve erken arızaya neden olabilir" dedi. "Yaklaşımımız, paketteki her hücredeki enerjiyi eşitleyerek, tüm hücreleri dengeli bir şekilde hedeflenen nihai şarj durumuna getiriyor ve paketin ömrünü uzatıyor."

Bir milyon mil ömürlü bir batarya üretme fikrinden ilham aldım.

Yeni araştırmanın itici güçlerinden biri, elektrikli otomobil şirketi Tesla'nın 2020 yılında "milyon mil pil" üzerinde çalıştığını duyurmasına dayanıyor. Bu pil, eski bir telefondaki veya dizüstü bilgisayardaki lityum iyon pil gibi, elektrikli aracın pilinin işlevini yitirecek kadar az şarj tutmadan önce (düzenli şarjla) 1 milyon mil veya daha fazla süreyle aracı çalıştırabilecek kapasitede olacak.

Böyle bir batarya, otomobil üreticilerinin elektrikli araç bataryaları için sunduğu tipik sekiz yıl veya 100.000 mil garantisini aşacaktır. Batarya paketleri genellikle garanti sürelerini aşsa da, pahalı batarya paketi değişimlerinin daha da nadir hale gelmesi, tüketicilerin elektrikli araçlara olan güvenini artırabilir. Binlerce şarjdan sonra bile şarjını koruyabilen bir batarya, uzun yol kamyonlarının elektrifikasyonunun ve elektrikli araç bataryalarının yenilenebilir enerjiyi depolayıp elektrik şebekesine aktaracağı araçtan şebekeye (V2G) sistemlerinin benimsenmesinin önünü de açabilir.

Onori, "Daha sonra, milyon mil pil konseptinin aslında yeni bir kimya olmadığı, sadece pilin tam şarj aralığını kullanmasını engelleyerek pilin çalıştırılmasının bir yolu olduğu açıklandı" dedi. İlgili araştırmalar, genellikle tam pil paketleri kadar hızlı şarj kapasitesi kaybetmeyen tekli lityum iyon hücrelere odaklanmıştır.

Onori ve laboratuvarındaki iki araştırmacı – doktora sonrası araştırmacı Vahid Azimi ve doktora öğrencisi Anirudh Allam – bu durumdan etkilenerek, mevcut pil türlerinin yaratıcı bir şekilde yönetilmesinin, yüzlerce veya binlerce hücre içerebilen tam bir pil paketinin performansını ve kullanım ömrünü nasıl iyileştirebileceğini araştırmaya karar verdiler.

Yüksek kaliteli bir pil modeli

Araştırmacılar ilk adım olarak, bir pilin çalışma ömrü boyunca içinde meydana gelen fiziksel ve kimyasal değişiklikleri doğru bir şekilde temsil eden yüksek doğrulukta bir bilgisayar modeli oluşturdular. Bu değişikliklerin bazıları saniyeler veya dakikalar içinde gerçekleşirken, diğerleri aylar hatta yıllar sürebilir.

Stanford Enerji Kontrol Laboratuvarı direktörü Onori, "Bildiğimiz kadarıyla, daha önce hiçbir çalışma bizim oluşturduğumuz türden yüksek doğruluklu, çok zaman ölçekli bir pil modeli kullanmadı" dedi.

Model ile yapılan simülasyon çalışmaları, modern bir batarya paketinin, onu oluşturan hücreler arasındaki farklılıkları dikkate alarak optimize edilebileceğini ve kontrol edilebileceğini göstermiştir. Onori ve meslektaşları, modellerinin önümüzdeki yıllarda mevcut araç tasarımlarına kolayca entegre edilebilen batarya yönetim sistemlerinin geliştirilmesine rehberlik etmek için kullanılacağını öngörüyorlar.

Onori'ye göre, bu gelişmelerden yalnızca elektrikli araçlar faydalanmayacak. "Pil paketini çok zorlayan" hemen hemen her uygulama, yeni sonuçlardan elde edilen bilgilerle daha iyi yönetilmeye uygun bir aday olabilir. Bir örnek mi? Elektrikli dikey kalkış ve iniş yapabilen, bazen eVTOL olarak adlandırılan drone benzeri uçaklar; bazı girişimciler bunların önümüzdeki on yılda hava taksisi olarak çalışmasını ve diğer kentsel hava taşımacılığı hizmetlerini sağlamasını bekliyor. Bununla birlikte, şarj edilebilir lityum iyon piller için genel havacılık ve yenilenebilir enerjinin büyük ölçekli depolanması da dahil olmak üzere başka uygulamalar da umut vadeden alanlar arasında yer alıyor.

Onori, “Lityum iyon piller dünyayı birçok yönden değiştirdi bile,” dedi. “Bu dönüştürücü teknolojiden ve gelecekteki haleflerinden olabildiğince çok şey elde etmemiz önemli.”