ابتكر باحثو جامعة ستانفورد طريقة جديدة لجعل حزم بطاريات الليثيوم أيون تدوم لفترة أطول وتعاني من تدهور أقل بسبب الشحن السريع.
نُشر البحث في IEEE Transactions on Control Systems Technology ، عن مدى فعالية إدارة كمية التيار الكهربائي المتدفق إلى كل خلية في عبوة ، بدلاً من توصيل الشحنة بشكل موحد ، يمكن أن يقلل التآكل والتمزق. يتيح هذا النهج بشكل فعال لكل خلية أن تعيش في أفضل حالاتها وأطولها.
وفقًا للأستاذ في جامعة ستانفورد وكبير مؤلفي الدراسة، سيمونا أونوري، تشير عمليات المحاكاة الأولية إلى أن البطاريات المُدارة باستخدام التكنولوجيا الجديدة يمكنها التعامل مع 20٪ على الأقل من دورات تفريغ الشحن، حتى مع الشحن السريع المتكرر، مما يضع ضغطًا إضافيًا على البطارية.
وأضافت، ركزت معظم الجهود السابقة لإطالة عمر بطارية السيارة الكهربائية على تحسين التصميم والمواد وتصنيع الخلايا المفردة، بناءً على فرضية أنه، مثل الروابط الموجودة في سلسلة، تكون حزمة البطارية جيدة مثل أضعف خلية فيها.
تبدأ الدراسة الجديدة بفهم أنه في حين أن الروابط الضعيفة أمر لا مفر منه – بسبب عيوب التصنيع ولأن بعض الخلايا تتحلل بشكل أسرع من غيرها لأنها تتعرض لضغوط مثل الحرارة – فإنها لا تحتاج إلى تدمير الحزمة بأكملها. المفتاح هو تكييف معدلات الشحن مع السعة الفريدة لكل خلية لدرء الفشل.
عدم التجانس يهدد البطارية
قال أونوري، وهو أستاذ مساعد في هندسة علوم الطاقة في جامعة ستانفورد دوير، “إذا لم يتم التعامل معها بشكل صحيح، فإن عدم التجانس من خلية إلى أخرى يمكن أن يهدد طول عمر حزمة البطارية وصحتها وسلامتها ويؤدي إلى حدوث عطل مبكر في حزمة البطارية”، مضيفت، “أسلوبنا يوازن الطاقة في كل خلية في العبوة ، مما يؤدي إلى وصول جميع الخلايا إلى حالة الشحن النهائية المستهدفة بطريقة متوازنة وتحسين طول عمر العبوة.”
بطارية تبلغ مساحتها مليون ميل
يعود جزء من الدافع وراء البحث الجديد إلى إعلان عام 2020 من قبل شركة Tesla ، شركة السيارات الكهربائية، للعمل على “بطارية تبلغ مساحتها مليون ميل”، ستكون هذه بطارية قادرة على تشغيل السيارة لمسافة مليون ميل أو أكثر (مع الشحن المنتظم)، قبل الوصول إلى النقطة التي تحمل فيها بطارية EV ، مثل بطارية الليثيوم أيون في هاتف قديم أو كمبيوتر محمول، شحنة قليلة جدًا بحيث لا يمكن تشغيلها.
قد تتجاوز مثل هذه البطارية الضمان النموذجي لشركات صناعة السيارات لبطاريات السيارات الكهربائية التي تبلغ ثماني سنوات أو 100000 ميل، على الرغم من أن حزم البطاريات تدوم بشكل روتيني لفترة الضمان، إلا أنه يمكن تعزيز ثقة المستهلك في السيارات الكهربائية، إذا أصبحت عمليات استبدال البطاريات باهظة الثمن أكثر ندرة. يمكن للبطارية التي لا تزال قادرة على تحمل الشحن بعد آلاف عمليات إعادة الشحن أن تسهل أيضًا الطريق لكهربة الشاحنات ذات المسافات الطويلة ، واعتماد ما يسمى أنظمة من السيارة إلى الشبكة، حيث تقوم بطاريات المركبات الكهربائية بتخزين الطاقة المتجددة وإرسالها من أجل شبكة الطاقة.
قال أونوري، “تم توضيح أن مفهوم البطارية المليون ميل لم يكن في الحقيقة كيمياء جديدة ولكنه مجرد وسيلة لتشغيل البطارية من خلال عدم جعلها تستخدم نطاق الشحن الكامل”، تركزت الأبحاث ذات الصلة على خلايا الليثيوم أيون المفردة ، والتي لا تفقد عمومًا سعة الشحن بالسرعة التي تفعل بها حزم البطاريات الكاملة.
نموذج بطارية عالي الدقة
كخطوة أولى، صمم الباحثون نموذجًا حاسوبيًا عالي الدقة لسلوك البطارية يمثل بدقة التغييرات الفيزيائية والكيميائية التي تحدث داخل البطارية خلال عمرها التشغيلي. تتكشف بعض هذه التغييرات في غضون ثوانٍ أو دقائق – والبعض الآخر على مدى شهور أو حتى سنوات.
تطوير أنظمة إدارة البطاريات
قال أونوري ، مدير مختبر ستانفورد للتحكم في الطاقة: “على حد علمنا، لم تستخدم أي دراسة سابقة هذا النوع من البطاريات عالية الدقة ومتعددة النطاقات الزمنية التي أنشأناها”.
اقترحت عمليات المحاكاة الجارية مع النموذج أنه يمكن تحسين حزمة البطارية الحديثة والتحكم فيها من خلال احتضان الاختلافات بين الخلايا المكونة لها، يتصورأونوري، وزملاؤه أن نموذجهم يتم استخدامه لتوجيه تطوير أنظمة إدارة البطاريات في السنوات القادمة والتي يمكن نشرها بسهولة في تصميمات المركبات الحالية.
ليست السيارات فقط
ليست السيارات الكهربائية فقط هي التي تستفيد، وقال أونوري إن أي تطبيق تقريبًا “يشدد على حزمة البطارية كثيرًا”، يمكن أن يكون مرشحًا جيدًا لإدارة أفضل مستندة إلى النتائج الجديدة، مثال واحد؟ الطائرات التي تشبه الطائرات بدون طيار ذات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائي، والتي تسمى أحيانًا eVTOL ، والتي يتوقع بعض رواد الأعمال تشغيلها كسيارات أجرة جوية وتقديم خدمات تنقل جوي حضري أخرى خلال العقد المقبل، وهناك تطبيقات أخرى لبطاريات الليثيوم أيون القابلة لإعادة الشحن، بما في ذلك الطيران العام والتخزين على نطاق واسع للطاقة المتجددة.
قال أونوري: “لقد غيرت بطاريات الليثيوم أيون العالم بالفعل من نواح كثيرة”، “من المهم أن نحصل على أكبر قدر ممكن من هذه التكنولوجيا التحويلية وتلك التي تليها في المستقبل.”
