Das Geheimnis einer langen Lebensdauer wiederaufladbarer Batterien liegt möglicherweise in der Akzeptanz von Unterschieden.Neue Modelle zur Verschlechterung von Lithium-Ionen-Zellen in einem Akku zeigen eine Möglichkeit, den Ladevorgang an die Kapazität jeder Zelle anzupassen, sodass EV-Batterien mehr Ladezyklen bewältigen und Ausfälle vermeiden können.

Die Studie wurde am 5. November veröffentlichtIEEE-Transaktionen zur Steuerungssystemtechnologie, zeigt, wie eine aktive Steuerung der Menge an elektrischem Strom, die zu jeder Zelle in einem Paket fließt, anstatt die Ladung gleichmäßig zu liefern, den Verschleiß minimieren kann.Der Ansatz ermöglicht effektiv, dass jede Zelle ihr bestes – und längstes – Leben führt.

Laut der Stanford-Professorin und leitenden Studienautorin Simona Onori deuten erste Simulationen darauf hin, dass mit der neuen Technologie verwaltete Batterien 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 einzelner Zellen, basierend auf der Annahme, dass ein Batteriepaket wie Glieder einer Kette nur so gut ist wie seine schwächste Zelle.Die neue Studie beginnt mit der Erkenntnis, dass schwache Verbindungen zwar unvermeidlich sind – aufgrund von Herstellungsmängeln und weil einige Zellen schneller zerfallen als andere, wenn sie Belastungen wie Hitze ausgesetzt sind –, dass sie aber nicht zwangsläufig das ganze Paket zerstören müssen.Der Schlüssel besteht darin, die Laderaten an die individuelle Kapazität jeder Zelle anzupassen, um Ausfälle zu vermeiden.

„Wenn nicht richtig angegangen wird, können Zell-zu-Zell-Heterogenitäten die Langlebigkeit, Gesundheit und Sicherheit eines Batteriepacks gefährden und zu einer frühen Fehlfunktion des Batteriepacks führen“, sagte Onori, Assistenzprofessor für Energiewissenschaftstechnik an der Stanford Doerr Schule für Nachhaltigkeit.„Unser Ansatz gleicht die Energie in jeder Zelle im Rucksack aus, bringt alle Zellen auf ausgewogene Weise in den endgültigen angestrebten Ladezustand und verbessert die Langlebigkeit des Rucksacks.“

Inspiriert zum Bau einer Millionen-Meilen-Batterie

Ein Teil des Anstoßes für die neue Forschung geht auf eine Ankündigung des Elektroautoherstellers Tesla aus dem Jahr 2020 zurück, an einer „Millionen-Meilen-Batterie“ zu arbeiten.Dabei handelt es sich um eine Batterie, die in der Lage ist, ein Auto 1 Million Meilen oder mehr (bei regelmäßiger Aufladung) mit Strom zu versorgen, bevor sie den Punkt erreicht, an dem die Batterie des Elektrofahrzeugs, ähnlich wie die Lithium-Ionen-Batterie in einem alten Telefon oder Laptop, zu wenig Ladung enthält, um noch funktionsfähig zu sein .

Eine solche Batterie würde die typische Garantie der Autohersteller für Batterien von Elektrofahrzeugen von acht Jahren oder 100.000 Meilen überschreiten.Auch wenn Akkupacks in der Regel ihre Garantiezeit überschreiten, könnte das Vertrauen der Verbraucher in Elektrofahrzeuge gestärkt werden, wenn der teure Austausch von Akkupacks noch seltener würde.Eine Batterie, die auch nach Tausenden von Aufladungen noch eine Ladung halten kann, könnte auch den Weg für die Elektrifizierung von Fernverkehrs-Lkw und für die Einführung sogenannter Vehicle-to-Grid-Systeme ebnen, in denen Elektrofahrzeugbatterien erneuerbare Energie speichern und weiterleiten würden das Stromnetz.

„Später wurde erklärt, dass das Konzept der Millionen-Meilen-Batterie nicht wirklich eine neue Chemie sei, sondern lediglich eine Möglichkeit, die Batterie zu betreiben, indem man nicht die volle Ladereichweite nutzt“, sagte Onori.Die diesbezügliche Forschung konzentrierte sich auf einzelne Lithium-Ionen-Zellen, die im Allgemeinen nicht so schnell an Ladekapazität verlieren wie volle Batteriepakete.

Neugierig geworden beschlossen Onori und zwei Forscher in ihrem Labor – der Postdoktorand Vahid Azimi und der Doktorand Anirudh Allam – zu untersuchen, wie ein innovatives Management bestehender Batterietypen die Leistung und Lebensdauer eines vollständigen Batteriepakets, das Hunderte oder Tausende von Zellen enthalten kann, verbessern könnte .

Ein High-Fidelity-Batteriemodell

Als ersten Schritt erstellten die Forscher ein hochpräzises Computermodell des Batterieverhaltens, das die physikalischen und chemischen Veränderungen, die im Inneren einer Batterie während ihrer Betriebslebensdauer stattfinden, genau darstellt.Einige dieser Veränderungen vollziehen sich innerhalb von Sekunden oder Minuten, andere über Monate oder sogar Jahre.

„Soweit wir wissen, wurde in keiner früheren Studie das von uns erstellte hochauflösende Batteriemodell mit mehreren Zeitskalen verwendet“, sagte Onori, Direktor des Stanford Energy Control Lab.

Simulationen mit dem Modell legten nahe, dass ein moderner Batteriesatz durch Berücksichtigung der Unterschiede zwischen seinen einzelnen Zellen optimiert und gesteuert werden kann.Onori und Kollegen gehen davon aus, dass ihr Modell in den kommenden Jahren als Leitfaden für die Entwicklung von Batteriemanagementsystemen dienen wird, die problemlos in bestehende Fahrzeugdesigns eingesetzt werden können.

Davon profitieren nicht nur Elektrofahrzeuge.Praktisch jede Anwendung, die „den Akku stark belastet“, könnte aufgrund der neuen Ergebnisse ein guter Kandidat für eine bessere Verwaltung sein, sagte Onori.Ein Beispiel?Drohnenähnliche Flugzeuge mit elektrischem Vertikalstart und -landung, manchmal auch eVTOL genannt, von denen einige Unternehmer erwarten, dass sie im Laufe des nächsten Jahrzehnts als Lufttaxis eingesetzt werden und andere urbane Luftmobilitätsdienste anbieten.Dennoch warten weitere Anwendungen für wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien auf uns, darunter die allgemeine Luftfahrt und die groß angelegte Speicherung erneuerbarer Energien.

„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 künftigen Nachfolgern herausholen.“