充電式バッテリーの長寿命の秘密は、違いを受け入れることにあるかもしれません。パック内のリチウムイオンセルがどのように劣化するかを示す新しいモデリングは、EV バッテリーがより多くの充電サイクルに対応し、故障を回避できるように、各セルの容量に合わせて充電する方法を示しています。

この研究は11月5日に出版された。制御システム技術に関するIEEEトランザクションは、充電を均一に供給するのではなく、パック内の各セルに流れる電流量を積極的に管理することで、磨耗を最小限に抑えることができることを示しています。このアプローチにより、各細胞が最高の、そして最長の寿命を延ばすことが効果的に可能になります。

スタンフォード大学教授で主任研究著者のシモナ・オノリ氏によると、初期シミュレーションでは、新技術で管理されたバッテリーは、バッテリーに余分な負担をかける頻繁な急速充電であっても、少なくとも20%以上多くの充放電サイクルに対応できることが示唆されている。

電気自動車のバッテリー寿命を延ばすためのこれまでの取り組みのほとんどは、チェーンのリンクと同様に、バッテリーパックの性能は最も弱いセルと同じであるという前提に基づいて、単一セルの設計、材料、製造を改善することに焦点を当てていました。新しい研究は、製造上の欠陥や熱などのストレスにさらされると一部のセルが他のセルよりも早く劣化するため、弱いリンクは避けられないものの、パック全体を破壊する必要はないという理解から始まります。重要なのは、故障を防ぐために、各セルの固有の容量に合わせて充電速度を調整することです。

「セル間の不均一性は、適切に対処しないと、バッテリーパックの寿命、健康、安全性を損ない、バッテリーパックの早期故障を引き起こす可能性があります」とスタンフォード・ドーア大学のエネルギー科学工学助教授であるオノリ氏は述べた。サステナビリティの学校。「私たちのアプローチは、パック内の各セルのエネルギーを均等化し、バランスの取れた方法ですべてのセルを最終的に目標とする充電状態にし、パックの寿命を向上させます。」

100万マイルのバッテリーを構築するインスピレーション

新しい研究のきっかけの一部は、電気自動車会社テスラが「100万マイルのバッテリー」に取り組むという2020年の発表に遡る。これは、古い携帯電話やラップトップのリチウムイオン電池のように、EV のバッテリーが充電量が少なすぎて機能しなくなるまで、100 万マイル以上 (通常の充電で) 車に電力を供給できるバッテリーです。 。

このようなバッテリーは、自動車メーカーが電気自動車バッテリーに対して通常保証する8年または10万マイルの保証を超えることになる。バッテリーパックは保証期間を超えて寿命を迎えるのが日常的ですが、高価なバッテリーパックの交換がさらに稀になれば、電気自動車に対する消費者の信頼が高まる可能性があります。数千回の充電後も充電を維持できるバッテリーは、長距離トラックの電動化や、EVのバッテリーが再生可能エネルギーを貯蔵して送電する、いわゆるビークル・トゥ・グリッド・システムの導入を容易にする可能性もあります。電力網。

「100万マイルのバッテリーコンセプトは実際には新しい化学反応ではなく、フル充電範囲を使用せずにバッテリーを運用する方法にすぎないと後で説明されました」とオノリ氏は述べた。関連研究は、一般にフルバッテリーパックほど早く充電容量を失わない単一リチウムイオンセルに焦点を当てています。

興味をそそられたオノリ氏と彼女の研究室の 2 人の研究者 (博士研究員ヴァヒド・アジミ氏と博士課程学生アニルード・アラム氏) は、既存のバッテリータイプの創意に富んだ管理によって、数百または数千のセルが含まれる完全なバッテリーパックの性能と耐用年数をどのように改善できるかを調査することにしました。 。

忠実度の高いバッテリーモデル

最初のステップとして、研究者らは、動作寿命中にバッテリー内部で起こる物理的および化学的変化を正確に表現するバッテリー挙動の忠実度の高いコンピューター モデルを作成しました。これらの変化の中には、数秒または数分で現れるものもあれば、数か月、場合によっては数年かかるものもあります。

「私たちの知る限り、私たちが作成したような高忠実度のマルチタイムスケールのバッテリーモデルを使用した研究はこれまでにありません」とスタンフォード大学エネルギー制御研究所所長のオノリ氏は述べた。

このモデルを使用してシミュレーションを実行すると、最新のバッテリー パックは、構成セル間の違いを考慮して最適化および制御できることがわかりました。Onori 氏らは、今後数年間で既存の車両設計に簡単に導入できるバッテリー管理システムの開発をガイドするために自分たちのモデルが使用されることを構想しています。

恩恵を受けるのは電気自動車だけではありません。事実上、「バッテリーパックに多大な負荷をかける」アプリケーションは、新しい結果に基づいて管理を改善するための有力な候補となる可能性がある、とオノリ氏は述べた。一例でしょうか？eVTOLとも呼ばれる電動垂直離着陸機能を備えたドローンのような航空機で、一部の起業家は今後10年間にエアタクシーとして運用し、その他の都市エアモビリティサービスを提供することを期待している。さらに、一般航空や再生可能エネルギーの大規模貯蔵など、充電式リチウムイオン電池の他の用途も期待されています。

「リチウムイオン電池はすでに多くの点で世界を変えています」とオノリ氏は語った。「この革新的な技術と今後のその後継技術からできる限り多くのことを得ることが重要です。」