Учёные из Мичиганского университета разработали методику прогнозирования срока службы аккумуляторов

Спрос на аккумуляторы для электромобилей продолжает увеличиваться. Производители аккумуляторов, различные исследовательские центры и университеты ищут возможности для улучшения существующих электрохимических систем, а также разрабатывают новые. При поиске новых материалов и изменении в производственных технологиях важно заранее оценить, каким образом это повлияет на срок службы аккумуляторов. Это позволяет сэкономить существенные средства и время на разработку. Поэтому исследователи из Мичиганского университета разработали для этого метод прогнозирования срока службы аккумуляторных батарей в зависимости от сделанных изменений в материалах и производственных процессах.

Исследовательская группа изучила предыдущие работы, которые показали, что прогнозирование срока службы аккумулятора возможно, но для обучения алгоритма потребуется многократное переключение (заряд, разряд, подзаряд), чтобы собрать данные. Для определения срока службы требуются тесты на старение, которые занимают от нескольких недель до нескольких месяцев. Поэтому подобные тесты проводят лишь на выборочных элементах, а не на всех.

Новое исследование, результаты которого были опубликованы здесь, показывает, что точный срок службы аккумуляторной батареи можно предсказать с помощью одного измерения внутреннего сопротивления. Это значение зависит от материалов, используемых для внутренних компонентов, а также от электрохимических факторов (насколько хорошо происходит перемещение ионов между электродами).

Важным моментом здесь, отмечают исследователи, является измерение сопротивления при низком уровне заряда аккумулятора. Один из авторов исследования Эндрю Венг (Andrew Weng) сказал, что измерить внутреннее сопротивление при низком уровне заряда можно без всяких циклов, что существенно ускоряет процесс обучения алгоритма.
 

Почему именно внутреннее сопротивление выбрано в качестве оценки срока службы?

Эта величина может дать представление о том, сколько лития перемешалось с жидким электролитом, через который происходит перенос ионов от одного электрода к другому. Речь идёт о комбинированном слове, который известен как межфазный твердый электролит (solid electrolyte interphase — SEI). Он может защитить поверхность электрода и продлить срок службы аккумулятора. Обычно сложно оценить количество лития, который переходит в межфазный твердый электролит. Однако, по словам исследователей, при низком уровне заряда внутреннее сопротивление аккумулятора тесно связано с количеством лития, перешедшего в SEI. Это позволяет быстро оценить количество защитного слоя на поверхности и рабочую ёмкость аккумулятора. При этом не потребуется какого-то дорогостоящего оборудования.

Исследование сотрудников Мичиганского университета может дать полезный инструмент в руки автопроизводителей. Большинство из них сейчас в срочном порядке занимаются переводом своих производственных линий с выпуска моделей с двигателями внутреннего сгорания на гибридные и электрические модели. Это заставляет участников этой индустрии конкурировать за материалы для литий-ионных аккумуляторов. Они стремятся повысить их производительность и снизить затраты на производство. Причём материалы для литий-ионных аккумуляторных батарей сейчас являются узким местом при развитии сектора электромобилей.

Руководитель исследовательской группы Анна Стефанопулу (Anna Stefanopoulou) сказала, что любой производитель старается уменьшить стоимость производства электромобилей. И на аккумулятор, как на самой дорогой элемент, обращают внимание в первую очередь. Поэтому, как говорит Стефанопулу, их исследование было попыткой ответить на вопрос: «Как быстро вы можете узнать о сроке службы батареи во время самого производственного процесса?».

И ответ исследователей в том, что срок службы аккумулятора можно узнать немедленно, если вы знаете критический сигнал, который может быть получен при тестировании с высокой пропускной способностью. Быстрое получение таких ключевых параметров окажется очень ценным для производителей, поскольку они находятся в процессе непрерывных улучшений и расширения производства аккумуляторов.

Сообщается, что финансирование данного исследования было выделено Национальным научным фондом США.