Новое исследование, проведенное учеными Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC, переворачивает представления о долговечности аккумуляторов электромобилей. Оказывается, в реальных условиях эксплуатации, когда водители совершают поездки разной длительности и интенсивности – от стояния в пробках до скоростных заездов по трассе, с частыми остановками и периодами покоя, – батареи электромобилей служат на удивление дольше, чем предсказывали лабораторные тесты. Фактически, речь идет об увеличении срока службы на целую треть, что сулит владельцам электромобилей существенную экономию и отодвигает необходимость замены дорогостоящего аккумулятора, а возможно, и самого электромобиля, на несколько лет.
Традиционно, чтобы оценить жизненный цикл аккумуляторов, инженеры-разработчики подвергают их многократным циклам заряда-разряда в лабораторных условиях, используя постоянную скорость. Этот подход позволяет быстро выявить потенциальные недостатки конструкции и спрогнозировать срок службы, но, как выяснилось, он далек от реальности. Дело в том, что повседневное использование электромобиля, как показало исследование, опубликованное в престижном научном журнале Nature Energy, характеризуется гораздо более сложным и динамичным профилем нагрузки батареи. При этом стоимость аккумулятора до сих пор составляет значительную часть цены электромобиля, несмотря на существенное снижение за последние полтора десятилетия. «Мы пришли к выводу, что существующие методики тестирования неправильно отражают реальную эксплуатацию», - отмечает Симона Онори, руководитель исследования и доцент Стэнфордского университета. Более удивительным открытием стало то, что именно частые изменения нагрузки – разгоны, торможения с рекуперацией энергии, короткие остановки и длительные периоды простоя – способствуют увеличению долговечности батарей.
Чтобы проверить эту гипотезу, исследователи разработали четыре различных профиля разряда батареи, от стандартного равномерного до имитирующего реальное вождение. В ходе эксперимента, длившегося более двух лет, были протестированы 92 коммерческих литий-ионных аккумулятора. Результаты показали прямую зависимость между реалистичностью профиля разряда и сроком службы батареи. Анализ данных, проведенный с помощью алгоритмов машинного обучения, позволил выявить факторы, влияющие на замедление деградации аккумуляторов. Вопреки распространенному мнению, которое разделяли даже сами исследователи, резкие и кратковременные ускорения не только не вредят батарее, но и, как оказалось, способствуют ее долговечности. «Интенсивное нажатие на педаль акселератора, вопреки ожиданиям, не ускоряет износ аккумулятора, а, скорее, наоборот, замедляет его», - поясняет Алексис Жеслен, один из ведущих авторов исследования.
Исследователи также обратили внимание на разницу между "старением" аккумулятора, вызванным циклами заряда-разряда, и "старением", происходящим со временем, даже если батарея не используется. Если аккумулятор, хранящийся без дела, постепенно теряет свои свойства, то в случае с электромобилями, которые используются для поездок на работу, в магазин или по другим делам, и большую часть времени находятся в режиме ожидания, именно временной фактор становится доминирующим. Исследование показало, что существует оптимальный диапазон скоростей разряда, при котором достигается баланс между циклическим и временным старением. К счастью, этот диапазон соответствует типичному стилю вождения большинства владельцев электромобилей. Это открывает возможность для автопроизводителей оптимизировать программное обеспечение управления батареями, чтобы максимально продлить срок их службы в реальных условиях эксплуатации.
Значение этого исследования выходит далеко за рамки автомобильной индустрии. Полученные результаты могут быть применены в других областях, связанных с хранением энергии, а также при разработке новых материалов и устройств, где "старение" играет важную роль, например, в производстве пластмасс, стекла, солнечных батарей и даже некоторых биоматериалов, используемых в медицине. «Крайне важно, чтобы при разработке новых химических составов и конструкций аккумуляторов учитывались реалистичные профили нагрузки», - подчеркивает Ле Сюй, один из участников исследовательской группы. Понимание механизмов старения на молекулярном уровне позволит создать более совершенные алгоритмы управления, оптимизирующие работу существующих аккумуляторов. В конечном итоге, это исследование демонстрирует огромный потенциал междисциплинарного подхода, объединяющего материаловедение, теорию управления, моделирование и машинное обучение, для создания инновационных решений в самых разных областях науки и техники.