Laetavate akude pika eluea saladus võib peituda erinevuste omaksvõtmises. Liitiumioonakude akude lagunemise uus modelleerimine näitab viisi, kuidas kohandada laadimist iga elemendi mahutavusega, et elektriautode akud taluksid rohkem laadimistsükleid ja hoiaksid ära rikkeid.

Uuring avaldati 5. novembril ajakirjasIEEE tehingud juhtimissüsteemide tehnoloogia kohta, näitab, kuidas paki igale elemendile voolava elektrivoolu hulga aktiivne haldamine, selle asemel et laengut ühtlaselt edastada, saab kulumist minimeerida. See lähenemisviis võimaldab igal elemendil elada oma parimat – ja pikimat – eluiga.

Stanfordi professori ja uuringu vanemautori Simona Onori sõnul näitavad esialgsed simulatsioonid, et uue tehnoloogiaga hallatavad akud suudavad taluda vähemalt 20% rohkem laadimis-tühjendustsüklit isegi sagedase kiirlaadimise korral, mis avaldab akule lisakoormust.

Enamik varasemaid pingutusi elektriautode aku eluea pikendamiseks on keskendunud üksikute elementide disaini, materjalide ja tootmise täiustamisele, lähtudes eeldusest, et nagu keti lülid, on ka akupakk sama hea kui selle nõrgim element. Uus uuring algab arusaamast, et kuigi nõrgad lülid on vältimatud – tootmisdefektide ja selle tõttu, et mõned elemendid lagunevad kuumuse mõjul kiiremini kui teised –, ei pea need kogu akut kokku laskma. Peamine on kohandada laadimiskiirust iga elemendi ainulaadse mahutavusega, et vältida rikkeid.

„Kui elementidevahelist heterogeensust korralikult ei käsitleta, võib see kahjustada akupaki pikaealisust, tervist ja ohutust ning põhjustada akupaki varajase rikke,“ ütles Onori, kes on Stanfordi Doerri jätkusuutlikkuse kooli energeetikateaduste inseneri dotsent. „Meie lähenemisviis võrdsustab aku iga elemendi energia, viies kõik elemendid tasakaalustatult lõplikku sihttasemele ja parandades aku pikaealisust.“

Inspireeritud miljoni miili aku ehitamiseks

Uue uurimistöö üks ajendeid pärineb 2020. aasta elektriautode ettevõtte Tesla teadaandest tööst nn miljoni miili aku kallal. See oleks aku, mis suudaks autot (tavalise laadimisega) toita 1 miljon miili või rohkem, enne kui see jõuab punkti, kus elektriauto aku mahutab – nagu vanas telefonis või sülearvutis olev liitiumioonaku – liiga vähe laengut, et olla funktsionaalne.

Selline aku ületaks autotootjate tüüpilise elektriautode akude garantii, mis on kaheksa aastat või 160 000 kilomeetrit. Kuigi akud kestavad tavaliselt kauem kui nende garantii, võiks tarbijate usaldus elektriautode vastu kasvada, kui kallite akude vahetamine muutuks veelgi haruldasemaks. Aku, mis suudab tuhandete laadimiste järel laengut hoida, võiks samuti hõlbustada teed pikamaaveokite elektrifitseerimisele ja nn sõidukist võrku süsteemide kasutuselevõtule, kus elektriautode akud salvestaksid ja edastaksid taastuvenergiat elektrivõrku.

„Hiljem selgitati, et miljoni miili aku kontseptsioon polnud tegelikult uus keemia, vaid lihtsalt viis aku kasutamiseks, mis ei lase sellel kogu laadimisulatust kasutada,“ ütles Onori. Seotud uuringud on keskendunud üksikutele liitiumioonakudele, mis üldiselt ei kaota laadimismahtu nii kiiresti kui täisakud.

Uudishimulikult otsustasid Onori ja kaks tema labori teadlast – järeldoktor Vahid Azimi ja doktorant Anirudh Allam – uurida, kuidas olemasolevate akutüüpide leidlik haldamine saaks parandada täisaku, mis võib sisaldada sadu või tuhandeid elemente, jõudlust ja kasutusiga.

Kõrge täpsusega aku mudel

Esimese sammuna koostasid teadlased aku käitumise ülitäpse arvutimudeli, mis täpselt kirjeldas aku tööea jooksul toimuvaid füüsikalisi ja keemilisi muutusi. Mõned neist muutustest toimuvad sekundite või minutite jooksul – teised aga kuude või isegi aastate jooksul.

„Meie teada pole üheski varasemas uuringus kasutatud sellist ülitäpset ja mitmekordset akumudelit, mille me lõime,“ ütles Onori, kes on Stanfordi energiakontrolli labori direktor.

Mudeliga simulatsioonide läbiviimine näitas, et tänapäevast akupaketti saab optimeerida ja juhtida, võttes arvesse selle koostisosade erinevusi. Onori ja tema kolleegid näevad ette, et nende mudelit kasutatakse lähiaastatel akuhaldussüsteemide väljatöötamise suunamiseks, mida saab hõlpsasti rakendada olemasolevates sõidukite konstruktsioonides.

Kasu ei saa ainult elektriautod. Onori sõnul võiks praktiliselt iga rakendus, mis „akupaketti palju koormab“, olla hea kandidaat parema haldamise jaoks, tuginedes uutele tulemustele. Üks näide? Droonilaadsed õhusõidukid elektrilise vertikaalse õhkutõusmise ja maandumisega, mida mõnikord nimetatakse ka eVTOL-iks ja mida mõned ettevõtjad loodavad järgmise kümnendi jooksul kasutada õhutaksodena ning pakkuda muid linnalise õhutranspordi teenuseid. Siiski on ka teisi laetavate liitiumioonakude rakendusi, sealhulgas üldlennundus ja taastuvenergia ulatuslik salvestamine.

„Liitiumioonakud on maailma juba nii mitmel moel muutnud,“ ütles Onori. „On oluline, et me saaksime sellest murrangulisest tehnoloogiast ja selle tulevastest järglastest võimalikult palju kasu.“