Литий-ионные аккумуляторы работают, перемещая ионы лития от отрицательного электрода к положительному и в обратном направлении при зарядке аккумулятора. От того, как часто и как именно используется эта батарея, зависит ее срок службы.
Существуют сложные модели, предсказывающие старение батарей, которые используются при проектировании батарей. Однако необходимы более быстрые и простые модели, чтобы понять наиболее важные факторы, влияющие на старение, чтобы системы управления батареями в гибридных электромобилях, например, могли лучше контролировать литий-ионные батареи.
«Мы начали с создания моделей специально для аккумуляторов Volvo, которые были настроены на их химический состав и показали, что модели совпадают экспериментально», — сказал Кристофер Ран, профессор машиностроения в Пенсильвании. «Затем мы сосредоточились на упрощении моделей старения. Теперь у нас есть окончательная упрощенная модель старения, сведенная к формуле».
Исследователи сообщают о своей работе сегодня (30 октября) в Journal of Power Sources.По словам Рана, батарея стареет или портится, находится ли она на полке или используется. Основной причиной старения литий-ионных аккумуляторов является постоянное образование межфазного слоя твердого электролита (SEI) в аккумуляторе.
Слой SEI должен формироваться для работы батареи, потому что он контролирует количество химических реакций, которые происходят в батарее. Однако, поскольку батарея постоянно используется, на слое SEI накапливаются мелкомасштабные побочные реакции, которые уменьшают емкость батареи — сколько заряда может удерживать батарея. Модели позволяют исследователям понять, как различные факторы влияют на этот процесс деградации, чтобы можно было производить более долговечные и более экономичные батареи.Гибридные электромобили сочетают в себе эффективность электромобилей с мощностью и долговечностью автомобилей с бензиновым двигателем, поскольку они имеют как обычный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине, так и электродвигатель, работающий от батарей.
Электродвигатель использует рекуперативные тормоза, которые забирают энергию, которая двигала автомобиль вперед, и преобразует ее в механическую энергию, переводя электродвигатель в режим заднего хода и замедляя автомобиль. Электродвигатель действует как генератор и забирает вырабатываемую электроэнергию для хранения в батареях для будущего использования. Это отличается от обычных тормозных систем, в которых энергия торможения тратится впустую, когда трение преобразует энергию в тепло.По словам исследователей, эта новая простая формула старения учитывает только те факторы, которые в наибольшей степени влияют на старение литий-ионного аккумулятора, влияя на рост слоя SEI, включая состояние заряда, частоту полной зарядки / разрядки аккумулятора, рабочую температуру. , и текущий.
«Автомобильные компании могут использовать эту формулу, чтобы количественно определить, какие факторы в наибольшей степени способствуют старению, и сосредоточить больше внимания на них, а не на всех других факторах, которые не играют такой большой роли», — добавил Танвир Таним, аспирант кафедры механики. инженерное дело, штат Пенсильвания.В рамках исследования Таним и Ран сравнили точность своей формулы с точностью более сложных моделей, использующих имеющиеся в продаже батареи. Они обнаружили, что их простая формула работает точно так же.«Когда вы упрощаете модель, некоторые вещи теряются», — сказал Ран. «У нас есть сложные модели, потому что они очень точны.
По мере того, как вы упрощаете, вы должны обосновывать каждое сделанное вами допущение. Я не был уверен, что мы можем упростить модель до формулы. Это довольно удивительно, когда вы явно видите, как все зависит от друг друга."Ран и Таним уже увидели преимущества простой формулы для моделирования старения батареи, используя ее, чтобы показать, что повышение температуры литий-ионных батарей в гибридных электромобилях продлевает срок службы батареи, что противоречит мнению большинства исследователей. . Такой эффект Volvo ранее наблюдала со своими батареями, и, используя эту формулу старения, Ран и Таним смогли объяснить, почему.
Volvo Group Trucks Technology поддержала эту работу.