جادوی باتری خودروهای الکتریکی استنفورد: شارژ اول با جریان بالا در 20 دقیقه به معنی 50 درصد عمر بیشتر

پژوهشگران مرکز شتاب‌دهنده خطی استنفورد (SLAC) روشی شگفت‌انگیز برای بهبود عملکرد باتری کشف کرده‌اند.

مطالعه اخیر نشان داده است که شارژ باتری‌ها با جریان‌های غیرعادی بالا در شارژ اول می‌تواند عمر باتری‌ها را تا 50 درصد افزایش دهد و زمان شارژ اولیه را از 10 ساعت به تنها 20 دقیقه کاهش دهد.

با کمک یادگیری ماشین علمی، پژوهشگران توانستند تغییرات دقیقی را در الکترودهای باتری شناسایی کنند که مسئول افزایش عملکرد و عمر هستند.

به گفته تیمی که تحت رهبری پروفسور ویل چو از SLAC هدایت می‌شود، این یافته‌ها برای تولیدکنندگان باتری که می‌خواهند عملکرد خود را بهبود بخشند و فرایندهای خود را بهینه کنند، بسیار مفید خواهند بود.

شارژ اولیه حیاتی

شارژ اولیه یک باتری لیتیوم-یونی از آنچه که به نظر می‌رسد مهمتر است. این شارژ، عملکرد و عمر باتری را تعیین می‌کند، یعنی تعداد چرخه‌های شارژ و دشارژ که باتری می‌تواند قبل از تخریب تحمل کند.

تیم تحقیقاتی سلول‌های پوچی ساختند که در آن الکترودهای مثبت و منفی توسط محلول الکترولیتی احاطه می‌شوند که یون‌های لیتیوم در آن آزادانه حرکت می‌کنند تا بهتر بفهمند چه اتفاقی در اولین چرخه باتری رخ می‌دهد.

یون‌های لیتیوم در هنگام شارژ به الکترود منفی باتری حرکت می‌کنند تا ذخیره شوند. وقتی باتری کم می‌شود، الکترون‌ها از سلول خارج می‌شوند و به سمت الکترود مثبت حرکت می‌کنند، جایی که دوباره شروع به جریان می‌کنند. این فرآیند همه چیز از خودروهای الکتریکی تا شبکه برق را نیرومند می‌سازد.

به گفته پژوهشگران، الکترود مثبت یک باتری تازه 100 درصد لیتیوم پر شده است. با این حال، بخشی از این لیتیوم در هر چرخه شارژ/دشارژ غیرفعال می‌شود. کاهش این تلفات عمر عملیاتی باتری را افزایش می‌دهد.

عجیب است که یکی از راهبردهای کاهش تلفات کلی لیتیوم این است که بخشی بزرگتر از لیتیوم اولیه را در شارژ اول باتری عمداً از دست بدهیم. این شبیه به یک سرمایه‌گذاری کوچک است که در نهایت بازدهی بزرگی خواهد داشت.

شیائو کوئی، پژوهشگر اصلی تیم انفورماتیک باتری در آزمایشگاه چو، در یک بیانیه گفت: «تشکیل، آخرین مرحله در فرآیند تولید است، بنابراین اگر شکست بخورد، همه ارزش و تلاشی که تا آن نقطه در باتری سرمایه‌گذاری شده است، هدر می‌رود.

استراتژی شارژ کارآمد

تولیدکنندگان معمولاً باتری‌های جدید را در اولین چرخه با جریان‌های پایین شارژ می‌کنند تا قوی‌ترین لایه واسط الکترولیت جامد (SEIlayer) را ایجاد کنند.

با این حال، یک نکته منفی وجود دارد: شارژ با جریان پایین زمان بیشتری می‌برد، هزینه بیشتری دارد، و ممکن است همیشه بهترین نتایج را ندهد. بنابراین، خبر خوشحال‌کننده‌ای بود وقتی تحقیقات اخیر نشان داد که شارژ سریعتر با جریان‌های بالاتر عملکرد باتری را دچار مشکل نمی‌کند.

با این وجود، دانشمندان خواستار اطلاعات بیشتری بودند. عوامل متعددی در ایجاد SEI در طول شارژ اولیه دخیل هستند که جریان شارژ فقط یکی از آن‌هاست. آزمایش کردن هر ترکیب ممکن از این عوامل در آزمایشگاه و تعیین بهترین عملکرد آن‌ها یک تلاش دلهره‌آور است.

برای رسیدگی به این مسئله، تیم تحقیقاتی از یادگیری ماشین علمی استفاده کرد تا عوامل کلیدی برای عملکرد بهینه باتری را شناسایی کند. شگفت‌انگیز بود که دریافتند فقط دو متغیر— دمای شارژ و جریان—حیاتی هستند.

آزمایشات آن‌ها نشان داد که شارژ با جریان‌های بالاتر عمر باتری را تا 50 درصد به طور چشمگیری افزایش می‌دهد. اگرچه این روش حدود 30 درصد از لیتیوم را در ابتدا غیرفعال کرد، در مقایسه با 9 درصد در روش‌های سنتی، اما تأثیر مثبتی داشت.

کوئی می‌گوید که این فرآیند شبیه به برداشتن مقداری آب از یک سطل پر قبل از حمل آن است که باعث کاهش ریختن آب می‌شود. به همین ترتیب، غیرفعال کردن بیشتر یون‌های لیتیوم در شارژ اولیه فضای اضافی در الکترود مثبت ایجاد می‌کند که باعث می‌شود باتری با کارایی بیشتری چرخ بزند. این تنظیم عملکرد کلی و طول عمر باتری را بهبود می‌بخشد.

کوئی گفت: «این درک برای یافتن بهترین تعادل بین عملکرد باتری و کارایی تولید حیاتی است.

جزئیات تحقیقات تیم در مجله Joule منتشر شده است.