Spousta článků, které tvoří lithiovou baterii, nejsou stejné; některé se zhorší a odejdou rychleji než jiné. Nový výzkum z univerzity v kalifornském Stanfordu zjistil, že celá baterie může žít mnohem déle, pokud každý článek dostane individuální nabíjecí zacházení.
Existuje mnoho důvodů, proč jednotlivé články v baterii mohou být slabší než jiné. Možná existují rozdíly ve výrobě nebo materiálech. Možná jsou některé vystaveny více zdrojům tepla než jiné nebo se nacházejí na místech, která se hůře chladí. Ať tak či onak, průměrný jednotlivý článek baterie vydrží déle než průměrné balení baterií a jsou to právě tyto slabé články, které stáhnou celou loď.
„Pokud není správně řešena, může heterogenita mezi články ohrozit životnost, zdraví a bezpečnost baterie a způsobit její brzké selhání,“ říká Simona Onori, odborná asistentka energetického inženýrství na Stanford Doerr School of Sustainability a autorka nové studie, jejímž cílem je udržet lithiové baterie funkční delší dobu.
Události rychlého nabíjení a vybíjení jsou pro bateriové články stresující, a přestože jsou navrženy tak, aby tento stres zvládly, v těchto chvílích trpí slabší články a nejrychleji se zhoršují. Stanfordský tým tedy přemýšlel, zda standardní technika nabíjení všech článků baterie stejnou rychlostí může urychlovat vybíjení baterie. Vědci pečlivě navrhli počítačový model, aby otestovali svou teorii ve zrychleném časovém rámci, což vedlo k tomu, o čem se domnívají, že jde o bezprecedentní úroveň detailů simulace. Pokusili se přesně znázornit fyzikální a chemický stav baterie, stejně jako změny, ke kterým dochází ve vztahu k řadě namáhání po celou dobu její životnosti, včetně změn, ke kterým dojde během několika sekund, až po další, které mohou trvat měsíce nebo roky.
„Podle našich nejlepších znalostí žádná předchozí studie nepoužila tak vysoce věrný model baterie s více časovými měřítky, jaký jsme vytvořili,“ říká Onori.
Pomocí tohoto modelu provedli řadu simulací srovnávajících přístup standardního nabíjení s nastavenou rychlostí a jiné přístupy, ve kterých kapacita každého jednotlivého článku slouží jako indikátor toho, jak dlouho nabití může trvat. Teorie navrhovaly, že nejvyššímu namáhání by měly být vystaveny pouze nejsilnější články; s články, které začaly brzy degradovat (z jakéhokoli důvodu) by se mělo zacházet mnohem šetrněji v naději, že zmírníme jejich případný úpadek. Tým zjistil, že individuálním nastavením rychlosti nabíjení každého článku může minimalizovat nárůst teploty a degradaci článku až do bodu, kdy tyto baterie zvládnou nejméně o 20 % více cyklů nabíjení/vybíjení než baterie, která se nabíjí rovnoměrně – a to i při častém používání rychlonabíjení. Nevýhody jsou zde poměrně zřejmé: pokud rychle nabíjíte baterii elektromobilu nebo telefonu, chcete, aby se nabíjela co nejrychleji, abyste se mohli vrátit k tomu, co děláte, a u modelu, jako je tento, by se určitý počet článků v baterii prostě nenabíjel tak rychle jako normálně.
Pokud vidíte své baterie jako víceméně jednorázové položky a Vaše auto jako něco, co každých pár let vyměňujete, bude Vám zřejmé, že spoustě spotřebitelů by bylo jedno, jestli urychlují smrt svých baterií. Je to problém někoho jiného. Na druhou stranu to není tak, že byste obecně rychle nabíjeli až na 100 %, když spěcháte, a většina článků ve většině baterií je v pořádku a dokáže se rychle nabít. Rozdíl ve stavu nabití na konci půlhodiny na supernabíječce se tedy u tohoto nabíjecího modelu nemusí výrazně lišit, a pokud lze baterie přimět k delší životnosti, je to lepší pro všechny – zejména s ohledem na získávání lithia, kde se v nadcházejících desetiletích předpokládá tlak na dekarbonizaci. Výzkumníci říkají, že jejich nabíjecí model lze snadno zavést prostřednictvím stávajících návrhů elektrických vozidel nebo použít k vedení vývoje systémů správy baterií nové generace. Naznačují také, že stejný model by mohl být aplikován na vybíjecí cyklus, který vyžaduje méně od slabších článků a více od silnějších, pro další výhody pro životnost jakékoli baterie, která je vystavena vysokému namáhání. Jeden z autorů studie nyní skutečně pracuje jako výzkumník baterií u vývojáře letadel eVTOL ve společnosti Archer Aviation.
„Lithium-iontové baterie již změnily svět mnoha způsoby,“ říká Onori. „Je důležité, abychom z této transformační technologie a jejích budoucích nástupců vytěžili co nejvíce.“
Studie je publikována v časopise IEEE Transactions on Control Systems Technology.