افزایش ۲۰ درصدی عمر باتری لیتیومی به کمک روش جدید شارژ

باتری‌هایی که در یک پک باتری لیتیومی قرار دارند، همه یکسان نیستند، چون بعضیشان زودتر از بقیه تخلیه می‌شوند و غیر قابل استفاده می‌شوند. تحقیقات جدید در دانشگاه استنفورد نشان می‌دهد که اگر هر باتری به طور جداگانه شارژ شود، کل باتری می‌تواند خیلی طولانی‌تر عمر کند.

دلایل زیادی وجود دارد که چرا باتری‌‎های تکی در یک پک باتری ممکن است ضعیف‌تر از سایرین شوند. شاید تفاوت‌هایی در ساخت یا موادشان وجود داشته باشد یا شاید بعضی از آنها بیشتر از بقیه در معرض منابع گرما و نقاطی قرار داشته باشند که خنک شدن‌شان سخت‌تر است. در هر صورت، یک تک باتری بیشتر از یک بسته باتری متوسط دوام می‌آورد و این باتری‌های ضعیف‌تر هستند که کل بسته باتری را همراه با خود تخلیه می‌کنند.

یک استادیار مهندسی علوم انرژی در دانشکده استنفورد می‌گوید: «اگر با این مشکل به‌درستی برخورد نشود، ناهمگونی‌های باتری به باتری می‌تواند طول عمر، سلامت و ایمنی یک بسته باتری را به خطر بیندازد و باعث اختلال آن شود. این متخصص همچنین نویسنده یک مطالعه جدید با هدف مفید نگه داشتن بسته‌های باتری لیتیومی برای مدت طولانی‌تری است.

رویدادهای شارژ و دشارژ سریع برای باتری‌ها استرس‌زا هستند، و در حالی که برای تحمل این استرس طراحی شده‌اند، در این لحظات پراسترس باتری‌های ضعیف‌تر سریع‌ترین آسیب را می‌بینند و خراب می‌شوند. بنابراین تیم استنفورد به این فکر افتاد که آیا تکنیک استاندارد شارژ کردن تمام باتری‌ها با سرعت یکسان ممکن است مرگ باتری را تسریع کند یا نه.

استفاده از مدل‌های کامپیوتری

محققان به سختی یک مدل کامپیوتری را طراحی کردند تا نظریه خود را در یک بازه زمانی تسریع شده آزمایش کنند، که نتیجه آن سطح بی سابقه‌ای از جزئیات شبیه سازی است. آنها تلاش کردند تا وضعیت فیزیکی و شیمیایی یک باتری را نشان دهند و همینطور تغییراتی را که در رابطه با طیف وسیعی از تنش‌ها در طول عمر آن رخ می‌دهد بررسی کنند، از جمله هر دو تغییری که در چند ثانیه اتفاق می‌افتد (و نه تغییراتی که ممکن است ماه‌ها یا سال‌ها طول بکشد).

این متخصص می‌گوید: «تا آنجایی که ما می‌دانیم، هیچ مطالعه قبلی از مدل باتری با کیفیت بالا و چند مقیاسی که ما ایجاد کردیم، استفاده نکرده است.»

با استفاده از این مدل، آنها تعدادی شبیه‌سازی انجام دادند که یک رویکرد شارژ استاندارد با نرخ تنظیم شده را با روش‌های دیگر مقایسه می‌نمود و در آن ظرفیت هر باتری به عنوان شاخصی برای میزان شارژ آن عمل می‌کرد. تئوری آنها این بود که تنها قوی‌ترین باتری‌ها باید تحت بیشترین تنش قرار گیرند. با باتری‌هایی که قبلاً به هر دلیلی شروع به تخریب کرده بودند، باید با ملایمت بیشتری رفتار کرد، به این امید که از زوال نهایی‌شان جلوگیری شود.

این تیم متوجه شد که با تنظیم جداگانه نرخ شارژ هر باتری، می‌شود افزایش دما و تخریب باتری را به حداقل رساند، تا جایی که این بسته‌ها می‌توانند نسبت به باتری‌هایی که به طور یکنواخت شارژ می‌شوند (حتی با استفاده مکرر از شارژ سریع) حداقل ۲۰٪ چرخه‌های شارژ/دشارژ بیشتری را تحمل کنند.

اشکالات این رویکرد

اشکالات در اینجا نسبتاً آشکار است. اینکه باتری EV یا تلفن خود را سریع شارژ می‌کنید و انتظار دارید که با بیشترین سرعت ممکن شارژ شود تا بتوانید به سر کاری که انجام می‌دادید برگردید. در صورتی که، تعدادی از باتری‌های موجود در دستگاه شما نمی‌توانند به اندازه معمول سریع شارژ ‌شوند. اگر باتری‌های خود را کم و بیش یک اقلام دور ریختنی و خودروهای خود را چیزی می‌بینید که هر چند سال یک بار تعویض می‌شوند، پس شما هم جزو مصرف‌کنندگانی هستید که در حال سرعت بخشیدن به مرگ بسته‌های باتری خود هستند.

از سوی دیگر، اینطور نیست که وقتی عجله دارید، همیشه باتری خود را تا ۱۰۰٪ سریع شارژ کنید، و اکثر باتری‌های موجود در یک بسته خوب و قادر به شارژ سریع باشند. بنابراین، در وضعیت شارژ در پایان نیم ساعت در یک حالت شارژ کامل ممکن است تفاوت زیادی وجود نداشته باشد و چنانچه باتری‌ها بتوانند عمر مفید بیشتری داشته باشند، برای‌شان بهتر است (به خصوص با توجه به استخراج لیتیوم که پیش‌بینی می‌شود در دهه‌های آینده تلاش‌ برای کربن‌زدایی را تحت فشار قرار دهد).

خوش‌بینی نسبت به آینده

محققان می‌گویند مدل شارژ آن‌ها را میشود به راحتی از طریق طرح‌های خودروهای الکتریکی موجود استفاده کرد یا برای هدایت توسعه سیستم‌های مدیریت باتری نسل بعدی بکار برد. آنها همچنین پیشنهاد می‌کنند که همین مدل را می‌شود در چرخه دشارژ به کار برد، و برای مزایای بیشتر بمنظور طول عمر هر بسته باتری که تحت بارهای استرس بالا قرار می‌گیرد، از باتری‌های ضعیف کمتر و از باتری‌های قوی‌تر بیشتر انتظار داشت.

یکی از متخصصین موفق این طرح می‌گوید: «باتری‌های لیتیوم یونی در حال حاضر دنیا را از بسیاری جهات تغییر داده‌اند و خیلی مهم است که ما تا جایی که می توانیم از این فناوری تحول آفرین و جانشینانش در آینده بهره ببریم.»