O segredo da longa vida das baterias recarregáveis ​​pode estar na aceitação da diferença.Uma nova modelagem de como as células de íons de lítio em um pacote se degradam mostra uma maneira de adaptar o carregamento à capacidade de cada célula, para que as baterias EV possam lidar com mais ciclos de carga e evitar falhas.

A pesquisa, publicada em 5 de novembro emTransações IEEE em tecnologia de sistemas de controle, mostra como o gerenciamento ativo da quantidade de corrente elétrica que flui para cada célula de um pacote, em vez de fornecer carga uniformemente, pode minimizar o desgaste.A abordagem permite efetivamente que cada célula viva melhor – e mais longa – vida.

De acordo com Simona Onori, professora de Stanford e autora sênior do estudo, as simulações iniciais sugerem que as baterias gerenciadas com a nova tecnologia poderiam lidar com pelo menos 20% mais ciclos de carga-descarga, mesmo com carregamentos rápidos frequentes, o que sobrecarrega a bateria.

A maioria dos esforços anteriores para prolongar a vida útil das baterias dos carros eléctricos centraram-se na melhoria do design, dos materiais e do fabrico de células individuais, com base na premissa de que, tal como os elos de uma corrente, uma bateria é tão boa quanto a sua célula mais fraca.O novo estudo começa com a compreensão de que, embora os elos fracos sejam inevitáveis ​​– devido a imperfeições de fabrico e porque algumas células se degradam mais rapidamente do que outras à medida que são expostas a tensões como o calor – eles não precisam de derrubar todo o conjunto.A chave é adaptar as taxas de carregamento à capacidade única de cada célula para evitar falhas.

“Se não forem abordadas adequadamente, as heterogeneidades entre células podem comprometer a longevidade, a saúde e a segurança de uma bateria e induzir um mau funcionamento precoce da bateria”, disse Onori, que é professor assistente de engenharia de ciências energéticas no Stanford Doerr. Escola de Sustentabilidade.“Nossa abordagem equaliza a energia em cada célula da embalagem, trazendo todas as células ao estado final de carga desejado de maneira equilibrada e melhorando a longevidade da embalagem.”

Inspirado para construir uma bateria de um milhão de milhas

Parte do ímpeto para a nova pesquisa remonta a um anúncio feito em 2020 pela Tesla, a empresa de carros elétricos, de trabalho em uma “bateria de um milhão de milhas”.Esta seria uma bateria capaz de alimentar um carro por 1 milhão de milhas ou mais (com carregamento regular) antes de chegar ao ponto em que, como a bateria de íons de lítio de um telefone ou laptop antigo, a bateria do EV retém pouca carga para funcionar. .

Essa bateria excederia a garantia típica das montadoras para baterias de veículos elétricos de oito anos ou 160.000 quilômetros.Embora as baterias normalmente ultrapassem a garantia, a confiança do consumidor nos veículos elétricos poderia ser reforçada se as dispendiosas substituições de baterias se tornassem ainda mais raras.Uma bateria que ainda consiga manter a carga após milhares de recargas também poderia facilitar o caminho para a eletrificação de caminhões de longo curso e para a adoção dos chamados sistemas veículo-rede, nos quais as baterias de veículos elétricos armazenariam e despachariam energia renovável para a rede elétrica.

“Mais tarde foi explicado que o conceito de bateria de um milhão de milhas não era realmente uma nova química, mas apenas uma maneira de operar a bateria, não fazendo com que ela usasse toda a faixa de carga”, disse Onori.A pesquisa relacionada centrou-se em células únicas de íons de lítio, que geralmente não perdem capacidade de carga tão rapidamente quanto as baterias completas.

Intrigada, Onori e dois pesquisadores em seu laboratório – o pós-doutorado Vahid Azimi e o estudante de doutorado Anirudh Allam – decidiram investigar como o gerenciamento inventivo dos tipos de baterias existentes poderia melhorar o desempenho e a vida útil de uma bateria completa, que pode conter centenas ou milhares de células. .

Um modelo de bateria de alta fidelidade

Como primeiro passo, os pesquisadores criaram um modelo computacional de alta fidelidade do comportamento da bateria que representava com precisão as mudanças físicas e químicas que ocorrem dentro de uma bateria durante sua vida operacional.Algumas destas mudanças ocorrem em questão de segundos ou minutos – outras ao longo de meses ou mesmo anos.

“Até onde sabemos, nenhum estudo anterior utilizou o tipo de modelo de bateria de alta fidelidade e multiescala de tempo que criamos”, disse Onori, que é diretor do Laboratório de Controle de Energia de Stanford.

A execução de simulações com o modelo sugeriu que uma bateria moderna pode ser otimizada e controlada abrangendo diferenças entre suas células constituintes.Onori e seus colegas prevêem que seu modelo seja usado para orientar o desenvolvimento de sistemas de gerenciamento de baterias nos próximos anos, que podem ser facilmente implantados em projetos de veículos existentes.

Não são apenas os veículos eléctricos que podem beneficiar.Praticamente qualquer aplicação que “sobrecarregue muito a bateria” pode ser uma boa candidata para um melhor gerenciamento baseado nos novos resultados, disse Onori.Um exemplo?Aeronaves tipo drone com decolagem e pouso elétrico vertical, às vezes chamadas de eVTOL, que alguns empresários esperam que operem como táxis aéreos e forneçam outros serviços de mobilidade aérea urbana na próxima década.Ainda assim, outras aplicações para baterias recarregáveis ​​de iões de lítio acenam, incluindo a aviação geral e o armazenamento em larga escala de energia renovável.

“As baterias de íons de lítio já mudaram o mundo de muitas maneiras”, disse Onori.“É importante que obtenhamos o máximo possível desta tecnologia transformadora e dos seus sucessores que virão.”