La charge des cellules lithium-ion à différents taux augmente la durée de vie des batteries

La charge des cellules lithium-ion à différents taux augmente la durée de vie des batteries pour les véhicules électriques, selon une étude de Stanford.

Des chercheurs de l’Université de Stanford ont mis au point une nouvelle façon de prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion et de réduire leur détérioration due à une charge rapide.

Les chercheurs de Stanford ont mis au point une nouvelle façon de prolonger la durée de vie des batteries lithium-ion et de réduire leur détérioration due à une charge rapide.

La recherche, publiée le 5 novembre dans IEEE Transactions on Control Systems Technology, montre comment la gestion active de la quantité de courant électrique circulant dans chaque cellule d’un pack, plutôt que de fournir une charge uniforme, peut minimiser l’usure. L’approche permet effectivement à chaque cellule de vivre sa meilleure – et la plus longue – vie.

Selon le professeur de Stanford et auteur principal de l’étude, Simona Onori, les simulations initiales suggèrent que les batteries gérées avec la nouvelle technologie pourraient gérer au moins 20 % de cycles de charge-décharge en plus, même avec des charges rapides fréquentes, ce qui exerce une pression supplémentaire sur la batterie.

La plupart des efforts précédents pour prolonger la durée de vie des batteries de voitures électriques se sont concentrés sur l’amélioration de la conception, des matériaux et de la fabrication de cellules individuelles, en partant du principe que, comme les maillons d’une chaîne, une batterie est aussi bonne que sa cellule la plus faible. La nouvelle étude commence par comprendre que même si les maillons faibles sont inévitables – en raison des imperfections de fabrication et parce que certaines cellules se dégradent plus rapidement que d’autres lorsqu’elles sont exposées à des contraintes telles que la chaleur – elles n’ont pas besoin de faire tomber tout le paquet. La clé est d’adapter les taux de charge à la capacité unique de chaque cellule pour éviter les pannes.

« Si elles ne sont pas correctement traitées, les hétérogénéités de cellule à cellule peuvent compromettre la longévité, la santé et la sécurité d’une batterie et induire un dysfonctionnement précoce de la batterie », a déclaré Onori, professeur adjoint d’ingénierie des sciences de l’énergie au Stanford Doerr. École de la durabilité. « Notre approche égalise l’énergie de chaque cellule du pack, amenant toutes les cellules à l’état de charge final ciblé de manière équilibrée et améliorant la longévité du pack. »

Inspiré pour construire une batterie d’un million de kilomètres

Une partie de l’élan de la nouvelle recherche remonte à une annonce en 2020 par Tesla, la société de voitures électriques, de travaux sur une « batterie d’un million de kilomètres ». Il s’agirait d’une batterie capable d’alimenter une voiture sur 1 million de kilomètres ou plus (avec une charge régulière) avant d’atteindre le point où, comme la batterie lithium-ion d’un ancien téléphone ou ordinateur portable, la batterie du véhicule électrique contient trop peu de charge pour être fonctionnelle. .

Une telle batterie dépasserait la garantie typique des constructeurs automobiles pour les batteries de véhicules électriques de huit ans ou 100 000 miles. Bien que les batteries durent généralement plus longtemps que leur garantie, la confiance des consommateurs dans les véhicules électriques pourrait être renforcée si les remplacements coûteux des batteries devenaient encore plus rares. Une batterie qui peut encore tenir une charge après des milliers de recharges pourrait également faciliter l’électrification des camions long-courriers et l’adoption de systèmes dits de véhicule à réseau, dans lesquels les batteries EV stockeraient et distribueraient de l’énergie renouvelable pour le réseau électrique.

« Il a été expliqué plus tard que le concept de batterie d’un million de kilomètres n’était pas vraiment une nouvelle chimie, mais juste un moyen de faire fonctionner la batterie en ne lui faisant pas utiliser toute la plage de charge », a déclaré Onori. Des recherches connexes se sont concentrées sur les cellules lithium-ion uniques, qui ne perdent généralement pas leur capacité de charge aussi rapidement que les batteries pleines.

Intrigués, Onori et deux chercheurs de son laboratoire – le chercheur postdoctoral Vahid Azimi et le doctorant Anirudh Allam – ont décidé d’étudier comment une gestion inventive des types de batterie existants pourrait améliorer les performances et la durée de vie d’une batterie complète, qui peut contenir des centaines ou des milliers de cellules. .

Un modèle de batterie haute-fidélité

Dans un premier temps, les chercheurs ont conçu un modèle informatique haute fidélité du comportement de la batterie qui représentait avec précision les changements physiques et chimiques qui se produisent à l’intérieur d’une batterie au cours de sa durée de vie. Certains de ces changements se déroulent en quelques secondes ou minutes, d’autres sur des mois, voire des années.

« A notre connaissance, aucune étude précédente n’a utilisé le type de modèle de batterie haute fidélité et multi-échelles de temps que nous avons créé », a déclaré Onori, directeur du Stanford Energy Control Lab.

L’exécution de simulations avec le modèle a suggéré qu’une batterie moderne peut être optimisée et contrôlée en tenant compte des différences entre ses cellules constitutives. Onori et ses collègues envisagent d’utiliser leur modèle pour guider le développement de systèmes de gestion de batterie dans les années à venir qui peuvent être facilement déployés dans les conceptions de véhicules existantes.

Il n’y a pas que les véhicules électriques qui en bénéficient. Pratiquement toute application qui « sollicite beaucoup la batterie » pourrait être un bon candidat pour une meilleure gestion informée par les nouveaux résultats, a déclaré Onori. Un exemple? Des avions de type drone à décollage et atterrissage verticaux électriques, parfois appelés eVTOL, que certains entrepreneurs prévoient d’exploiter comme taxis aériens et de fournir d’autres services de mobilité aérienne urbaine au cours de la prochaine décennie. Pourtant, d’autres applications pour les batteries lithium-ion rechargeables s’offrent à nous, notamment l’aviation générale et le stockage à grande échelle d’énergies renouvelables.

« Les batteries lithium-ion ont déjà changé le monde à bien des égards », a déclaré Onori. « Il est important que nous tirions le maximum de cette technologie transformatrice et de ses successeurs à venir. »

Azimi est maintenant chercheur chez Gatik, une entreprise de logistique B2B à courte distance à Mountain View, en Californie. Allam est maintenant chercheur sur les batteries chez Archer Aviation, une société d’avions eVOTL basée à San Jose, en Californie.

Cette recherche a été soutenue par LG Chem (maintenant LG Energy Solution).

Par Adam Hadgazy

Gracieuseté de Nouvelles de Stanford

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