Das Aufladen von Lithium-Ionen-Zellen mit unterschiedlichen Raten verlängert die Lebensdauer von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge, so die Stanford-Studie.
Forscher der Stanford University haben einen neuen Weg entwickelt, um Lithium-Ionen-Akkupacks länger haltbar zu machen und weniger Verschleiß durch schnelles Aufladen zu erleiden.
Stanford-Forscher haben einen neuen Weg entwickelt, um Lithium-Ionen-Akkupacks länger haltbar zu machen und weniger Verschleiß durch schnelles Aufladen zu erleiden.
Die Forschung, veröffentlicht am 5. November in IEEE Transactions on Control Systems Technology, zeigt, wie die aktive Steuerung der Menge an elektrischem Strom, die zu jeder Zelle in einem Pack fließt, anstatt die Ladung gleichmäßig zu liefern, den Verschleiß minimieren kann. Der Ansatz ermöglicht es jeder Zelle effektiv, ihr bestes – und längstes – Leben zu führen.
Laut Stanford-Professor und leitender Studienautor Simon Onorideuten erste Simulationen darauf hin, dass Batterien, die mit der neuen Technologie verwaltet werden, mindestens 20 % mehr Lade-Entlade-Zyklen bewältigen könnten, selbst bei häufigem Schnellladen, was die Batterie zusätzlich belastet.
Die meisten bisherigen Bemühungen zur Verlängerung der Batterielebensdauer von Elektroautos konzentrierten sich auf die Verbesserung des Designs, der Materialien und der Herstellung von Einzelzellen, basierend auf der Prämisse, dass ein Batteriepaket wie Glieder einer Kette nur so gut ist wie seine schwächste Zelle. Die neue Studie beginnt mit dem Verständnis, dass schwache Verbindungen zwar unvermeidlich sind – aufgrund von Herstellungsfehlern und weil einige Zellen schneller abgebaut werden als andere, wenn sie Belastungen wie Hitze ausgesetzt sind – sie aber nicht das gesamte Rudel zum Erliegen bringen müssen. Der Schlüssel liegt darin, die Laderaten an die einzigartige Kapazität jeder Zelle anzupassen, um einen Ausfall zu verhindern.
„Wenn nicht richtig angegangen wird, können Zell-zu-Zell-Heterogenitäten die Langlebigkeit, Gesundheit und Sicherheit eines Batteriepakets beeinträchtigen und zu einer frühen Fehlfunktion des Batteriepakets führen“, sagte Onori, der Assistenzprofessor für Energiewissenschaften an der Stanford Doerr ist Schule für Nachhaltigkeit. „Unser Ansatz gleicht die Energie in jeder Zelle des Packs aus, bringt alle Zellen auf ausgewogene Weise in den endgültigen Zielladezustand und verbessert die Langlebigkeit des Packs.“
Inspiriert, eine Million-Meilen-Batterie zu bauen
Ein Teil des Anstoßes für die neue Forschung geht auf eine Ankündigung von Tesla, dem Elektroautohersteller, im Jahr 2020 zurück, an einer „Millionen-Meilen-Batterie“ zu arbeiten. Dies wäre eine Batterie, die ein Auto 1 Million Meilen oder mehr (bei regelmäßiger Aufladung) mit Strom versorgen kann, bevor sie den Punkt erreicht, an dem die Batterie des Elektrofahrzeugs, wie die Lithium-Ionen-Batterie in einem alten Telefon oder Laptop, zu wenig Ladung enthält, um funktionsfähig zu sein .
Eine solche Batterie würde die typische Garantie der Autohersteller für Batterien von Elektrofahrzeugen von acht Jahren oder 100.000 Meilen übersteigen. Obwohl Batteriepacks routinemäßig ihre Garantie überdauern, könnte das Vertrauen der Verbraucher in Elektrofahrzeuge gestärkt werden, wenn teure Ersatzbatteriepacks noch seltener werden. Eine Batterie, die auch nach Tausenden von Aufladungen noch eine Ladung halten kann, könnte auch den Weg für die Elektrifizierung von Langstrecken-Lkw und für die Einführung sogenannter Vehicle-to-Grid-Systeme ebnen, in denen EV-Batterien erneuerbare Energie speichern und verteilen würden das Stromnetz.
„Später wurde erklärt, dass das Millionen-Meilen-Batteriekonzept nicht wirklich eine neue Chemie war, sondern nur eine Möglichkeit, die Batterie zu betreiben, indem sie nicht die volle Ladereichweite nutzt“, sagte Onori. Die entsprechende Forschung konzentrierte sich auf einzelne Lithium-Ionen-Zellen, die im Allgemeinen nicht so schnell an Ladekapazität verlieren wie volle Batteriepacks.
Fasziniert beschlossen Onori und zwei Forscher in ihrem Labor – der Postdoktorand Vahid Azimi und die Doktorandin Anirudh Allam – zu untersuchen, wie ein erfinderisches Management bestehender Batterietypen die Leistung und Lebensdauer eines vollständigen Batteriepakets verbessern kann, das Hunderte oder Tausende von Zellen enthalten kann .
Ein High-Fidelity-Batteriemodell
In einem ersten Schritt erstellten die Forscher ein High-Fidelity-Computermodell des Batterieverhaltens, das die physikalischen und chemischen Veränderungen, die in einer Batterie während ihrer Betriebsdauer stattfinden, genau darstellt. Einige dieser Veränderungen entfalten sich innerhalb von Sekunden oder Minuten – andere über Monate oder sogar Jahre.
„Nach unserem besten Wissen hat keine frühere Studie die Art von High-Fidelity-Multi-Timescale-Batteriemodell verwendet, das wir erstellt haben“, sagte Onori, der Direktor des Stanford Energy Control Lab.
Laufende Simulationen mit dem Modell deuteten darauf hin, dass ein modernes Batteriepaket optimiert und gesteuert werden kann, indem Unterschiede zwischen seinen einzelnen Zellen berücksichtigt werden. Onori und Kollegen stellen sich vor, dass ihr Modell verwendet wird, um die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen in den kommenden Jahren zu leiten, die leicht in bestehende Fahrzeugdesigns eingesetzt werden können.
Davon profitieren nicht nur Elektrofahrzeuge. Praktisch jede Anwendung, die „den Akku stark belastet“, könnte ein guter Kandidat für ein besseres Management sein, das durch die neuen Ergebnisse informiert wird, sagte Onori. Ein Beispiel? Drohnenähnliche Flugzeuge mit elektrischem vertikalem Start und Landung, manchmal auch eVTOL genannt, von denen einige Unternehmer erwarten, dass sie in den nächsten zehn Jahren als Lufttaxis operieren und andere städtische Luftmobilitätsdienste anbieten. Andere Anwendungen für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien locken jedoch, darunter die allgemeine Luftfahrt und die groß angelegte Speicherung erneuerbarer Energie.
„Lithium-Ionen-Batterien haben die Welt bereits in vielerlei Hinsicht verändert“, sagte Onori. „Es ist wichtig, dass wir so viel wie möglich aus dieser transformativen Technologie und ihren zukünftigen Nachfolgern herausholen.“
Azimi ist jetzt wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Gatik, einem B2B-Kurzstreckenlogistikunternehmen in Mountain View, Kalifornien. Allam ist jetzt Batterieforscher bei Archer Aviation, einem eVOTL-Flugzeugunternehmen mit Sitz in San Jose, Kalifornien.
Diese Forschung wurde von LG Chem (jetzt LG Energy Solution) unterstützt.
Von Adam Hadgazy
Mit freundlicher Genehmigung von Stanford-Nachrichten
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