დატენვადი აკუმულატორების ხანგრძლივი სიცოცხლის საიდუმლო შესაძლოა განსხვავებულობაში იმალებოდეს. ლითიუმ-იონური უჯრედების დეგრადაციის ახალი მოდელირება აჩვენებს, თუ როგორ შეიძლება დატენვის მორგება თითოეული უჯრედის სიმძლავრეზე, რათა ელექტრომობილის აკუმულატორებმა შეძლონ მეტი დატენვის ციკლის გატარება და უკმარისობის თავიდან აცილება.

კვლევა, რომელიც 5 ნოემბერს გამოქვეყნდა,IEEE-ს ტრანზაქციები მართვის სისტემების ტექნოლოგიაზე, აჩვენებს, თუ როგორ შეუძლია პაკეტში თითოეულ უჯრედში გამავალი ელექტრული დენის რაოდენობის აქტიურ მართვას, ერთგვაროვანი მუხტის მიწოდების ნაცვლად, ცვეთის მინიმუმამდე დაყვანა. ეს მიდგომა ეფექტურად საშუალებას აძლევს თითოეულ უჯრედს იცხოვროს საუკეთესოდ - და ყველაზე დიდხანს - სიცოცხლის განმავლობაში.

სტენფორდის უნივერსიტეტის პროფესორისა და კვლევის უფროსი ავტორის, სიმონა ონორის თქმით, საწყისი სიმულაციები მიუთითებს, რომ ახალი ტექნოლოგიით მართულ აკუმულატორებს შეუძლიათ გაუძლონ მინიმუმ 20%-ით მეტ დატენვა-განმუხტვის ციკლს, ხშირი სწრაფი დატენვის შემთხვევაშიც კი, რაც დამატებით დატვირთვას ახდენს აკუმულატორზე.

ელექტრომობილის ბატარეის ხანგრძლივობის გახანგრძლივების წინა მცდელობების უმეტესობა ფოკუსირებული იყო ცალკეული ელემენტების დიზაინის, მასალებისა და წარმოების გაუმჯობესებაზე, იმ წინაპირობის საფუძველზე, რომ ჯაჭვის რგოლების მსგავსად, ბატარეის ბლოკი მხოლოდ იმდენად კარგია, რამდენადაც მისი ყველაზე სუსტი უჯრედი. ახალი კვლევა იწყება იმის გაგებით, რომ მიუხედავად იმისა, რომ სუსტი რგოლები გარდაუვალია - წარმოების ნაკლოვანებების და იმის გამო, რომ ზოგიერთი უჯრედი უფრო სწრაფად იშლება, ვიდრე სხვები, რადგან ისინი სითბოს მსგავსი დატვირთვის ზემოქმედების ქვეშ არიან - მათ არ სჭირდებათ მთელი ბლოკის დაშლა. მთავარია, დატენვის სიჩქარე მორგებული იყოს თითოეული უჯრედის უნიკალურ შესაძლებლობებზე, რათა თავიდან იქნას აცილებული უკმარისობის თავიდან აცილება.

„თუ სათანადოდ არ მოხდება მათი მოგვარება, უჯრედებს შორის ჰეტეროგენულობამ შეიძლება საფრთხე შეუქმნას აკუმულატორის ხანგრძლივობას, ჯანმრთელობასა და უსაფრთხოებას და გამოიწვიოს აკუმულატორის ადრეული გაუმართაობა“, - თქვა ონორიმ, რომელიც სტენფორდის დოერის მდგრადი განვითარების სკოლაში ენერგეტიკული მეცნიერების ინჟინერიის ასისტენტ-პროფესორია. „ჩვენი მიდგომა ათანაბრებს ენერგიას აკუმულატორის თითოეულ უჯრედში, დაბალანსებული გზით მიჰყავს ყველა უჯრედი საბოლოო დამუხტვის მდგომარეობამდე და აუმჯობესებს აკუმულატორის ხანგრძლივობას“.

მილიონი მილის სიგრძის ბატარეის აწყობის შთაგონება

ახალი კვლევის ბიძგის ნაწილი ელექტრომობილების მწარმოებელი კომპანიის, Tesla-ს, 2020 წელს გაკეთებული განცხადებიდან იღებს სათავეს, რომელიც „მილიონი მილის სიგრძის აკუმულატორზე“ მუშაობას ეხებოდა. ეს იქნებოდა აკუმულატორი, რომელსაც შეეძლებოდა ავტომობილის 1 მილიონი მილის ან მეტის გავლა (რეგულარული დატენვით), სანამ ძველ ტელეფონში ან ლეპტოპში არსებული ლითიუმ-იონური აკუმულატორის მსგავსად, ელექტრომობილის აკუმულატორი ძალიან ცოტა დამუხტვას ინარჩუნებდა ფუნქციონირებისთვის.

ასეთი აკუმულატორი გადააჭარბებდა ავტომწარმოებლების მიერ ელექტრომობილების აკუმულატორებისთვის ტიპურ რვაწლიან ან 100,000 მილის გარანტიას. მიუხედავად იმისა, რომ აკუმულატორების გარანტია ჩვეულებრივ უფრო მეტხანს გრძელდება, მომხმარებელთა ნდობა ელექტრომობილების მიმართ შეიძლება გაიზარდოს, თუ ძვირადღირებული აკუმულატორების ჩანაცვლება კიდევ უფრო იშვიათი გახდება. აკუმულატორი, რომელსაც ათასობით დატენვის შემდეგაც შეუძლია დამუხტვის შენარჩუნება, ასევე ხელს შეუწყობს გრძელი დისტანციის სატვირთო მანქანების ელექტრიფიკაციის და ე.წ. „მანქანიდან ქსელამდე“ სისტემების დანერგვას, რომლის დროსაც ელექტრომობილების აკუმულატორები შეინახავს და გაანაწილებენ განახლებად ენერგიას ელექტროქსელისთვის.

„მოგვიანებით ახსნილი იყო, რომ მილიონი მილის სიგრძის ბატარეის კონცეფცია სინამდვილეში ახალი ქიმია არ იყო, არამედ უბრალოდ ბატარეის მუშაობის საშუალება იყო სრული დატენვის დიაპაზონის გამოყენების გარეშე“, - თქვა ონორიმ. მსგავსი კვლევები ფოკუსირებულია ერთლიტრიან ლითიუმ-იონურ ელემენტებზე, რომლებიც, როგორც წესი, ისე სწრაფად არ კარგავენ დამუხტვის ტევადობას, როგორც სავსე ბატარეის პაკეტები.

დაინტერესებულმა ონორიმ და მის ლაბორატორიაში მყოფმა ორმა მკვლევარმა - პოსტდოქტორანტმა ვაჰიდ აზიმიმ და დოქტორანტმა ანირუდ ალამმა - გადაწყვიტეს, გამოეკვლიათ, თუ როგორ შეიძლება არსებული ტიპის ელემენტების ინოვაციურმა მართვამ გააუმჯობესოს სრული ელემენტის, რომელიც შეიძლება ასობით ან ათასობით ელემენტს შეიცავდეს, მუშაობა და მომსახურების ვადა.

მაღალი სიმძლავრის ბატარეის მოდელი

პირველ ეტაპზე, მკვლევრებმა შექმნეს ბატარეის ქცევის მაღალი სიზუსტის კომპიუტერული მოდელი, რომელიც ზუსტად წარმოადგენდა მის შიგნით მისი ექსპლუატაციის პერიოდში მიმდინარე ფიზიკურ და ქიმიურ ცვლილებებს. ზოგიერთი ეს ცვლილება წამებში ან წუთებში ვითარდება, ზოგი კი თვეების ან წლების განმავლობაშიც კი.

„ჩვენი ინფორმაციით, არცერთ წინა კვლევაში არ გამოყენებულია ჩვენს მიერ შექმნილი მაღალი სიზუსტის, მრავალდროული მასშტაბის ბატარეის მოდელი“, - თქვა ონორიმ, რომელიც სტენფორდის ენერგიის კონტროლის ლაბორატორიის დირექტორია.

მოდელით სიმულაციების ჩატარებამ აჩვენა, რომ თანამედროვე აკუმულატორის ოპტიმიზაცია და კონტროლი შესაძლებელია მის შემადგენელ უჯრედებს შორის განსხვავებების გათვალისწინებით. ონორი და მისი კოლეგები ვარაუდობენ, რომ მათი მოდელი გამოყენებული იქნება უახლოეს წლებში აკუმულატორის მართვის სისტემების შემუშავების ხელმძღვანელობისთვის, რომელთა გამოყენებაც ადვილად იქნება შესაძლებელი არსებული ავტომობილების დიზაინში.

ონორის თქმით, ახალი შედეგებით გათვალისწინებულ უკეთეს მენეჯმენტში კარგი კანდიდატი შეიძლება იყოს პრაქტიკულად ნებისმიერი დანიშნულება, რომელიც „დიდ დატვირთვას ახდენს აკუმულატორზე“. მაგალითად, ელექტრო ვერტიკალური აფრენა-დაშვების მქონე დრონის მსგავსი თვითმფრინავი, რომელსაც ზოგჯერ eVTOL-საც უწოდებენ და რომლის გამოყენებასაც ზოგიერთი მეწარმე მომდევნო ათწლეულის განმავლობაში საჰაერო ტაქსებად და სხვა ურბანული საჰაერო მობილობის სერვისების მიწოდებას ვარაუდობს. მიუხედავად ამისა, ლითიუმ-იონური დატენვადი აკუმულატორების სხვა დანიშნულებაც იჩენს თავს, მათ შორის ზოგადი ავიაცია და განახლებადი ენერგიის მასშტაბური შენახვა.

„ლითიუმ-იონურმა აკუმულატორებმა უკვე შეცვალეს სამყარო მრავალი თვალსაზრისით“, - თქვა ონორიმ. „მნიშვნელოვანია, რომ მაქსიმალურად გამოვიყენოთ ეს ტრანსფორმაციული ტექნოლოგია და მისი მომავალი მემკვიდრეები“.