Le secret de la longue durée de vie des batteries rechargeables réside peut-être dans l’acceptation de la différence.Une nouvelle modélisation de la façon dont les cellules lithium-ion d'un pack se dégradent montre un moyen d'adapter la charge à la capacité de chaque cellule afin que les batteries EV puissent gérer plus de cycles de charge et éviter les pannes.

La recherche, publiée le 5 novembre dansTransactions IEEE sur la technologie des systèmes de contrôle, montre comment la gestion active de la quantité de courant électrique circulant vers chaque cellule d'un pack, plutôt que de fournir une charge uniforme, peut minimiser l'usure.Cette approche permet effectivement à chaque cellule de vivre sa meilleure – et la plus longue – vie.

Selon Simona Onori, professeure à Stanford et auteure principale de l'étude, les premières simulations suggèrent que les batteries gérées avec la nouvelle technologie pourraient gérer au moins 20 % de cycles de charge-décharge en plus, même avec des charges rapides fréquentes, ce qui exerce une pression supplémentaire sur la batterie.

La plupart des efforts précédents visant à prolonger la durée de vie des batteries des voitures électriques se sont concentrés sur l’amélioration de la conception, des matériaux et de la fabrication de cellules individuelles, en partant du principe que, comme les maillons d’une chaîne, une batterie n’est aussi bonne que sa cellule la plus faible.La nouvelle étude commence par comprendre que même si les maillons faibles sont inévitables – en raison d’imperfections de fabrication et parce que certaines cellules se dégradent plus rapidement que d’autres lorsqu’elles sont exposées à des contraintes comme la chaleur – elles ne doivent pas nécessairement détruire l’ensemble.La clé est d’adapter les taux de charge à la capacité unique de chaque cellule pour éviter les pannes.

"Si elles ne sont pas correctement traitées, les hétérogénéités entre cellules peuvent compromettre la longévité, la santé et la sécurité d'une batterie et provoquer un dysfonctionnement précoce de la batterie", a déclaré Onori, professeur adjoint d'ingénierie des sciences de l'énergie à l'Université Stanford Doerr. École du développement durable."Notre approche égalise l'énergie dans chaque cellule du pack, amenant toutes les cellules à l'état de charge final ciblé de manière équilibrée et améliorant la longévité du pack."

Inspiré pour construire une batterie d'un million de kilomètres

Une partie de l’impulsion de cette nouvelle recherche remonte à l’annonce en 2020 par Tesla, le constructeur de voitures électriques, de travaux sur une « batterie d’un million de kilomètres ».Il s'agirait d'une batterie capable d'alimenter une voiture sur 1 million de kilomètres ou plus (avec une charge régulière) avant d'atteindre le point où, comme la batterie lithium-ion d'un vieux téléphone ou d'un ordinateur portable, la batterie du véhicule électrique contient trop peu de charge pour être fonctionnelle. .

Une telle batterie dépasserait la garantie typique des constructeurs automobiles pour les batteries de véhicules électriques de huit ans ou 100 000 miles.Même si les batteries durent généralement plus longtemps que leur garantie, la confiance des consommateurs dans les véhicules électriques pourrait être renforcée si les remplacements coûteux de batteries devenaient encore plus rares.Une batterie qui peut encore tenir la charge après des milliers de recharges pourrait également ouvrir la voie à l'électrification des camions long-courriers et à l'adoption de systèmes dits de véhicule à réseau, dans lesquels les batteries des véhicules électriques stockeraient et distribueraient de l'énergie renouvelable pour le réseau électrique.

"Il a été expliqué plus tard que le concept de batterie d'un million de kilomètres n'était pas vraiment une nouvelle chimie, mais simplement un moyen de faire fonctionner la batterie en ne lui faisant pas utiliser toute la plage de charge", a déclaré Onori.Les recherches connexes se sont concentrées sur les cellules lithium-ion uniques, qui ne perdent généralement pas leur capacité de charge aussi rapidement que les batteries pleines.

Intrigués, Onori et deux chercheurs de son laboratoire – le chercheur postdoctoral Vahid Azimi et le doctorant Anirudh Allam – ont décidé d'étudier comment une gestion inventive des types de batteries existants pourrait améliorer les performances et la durée de vie d'une batterie complète, qui peut contenir des centaines ou des milliers de cellules. .

Un modèle à batterie haute fidélité

Dans un premier temps, les chercheurs ont élaboré un modèle informatique haute fidélité du comportement de la batterie qui représente avec précision les changements physiques et chimiques qui ont lieu à l'intérieur d'une batterie au cours de sa durée de vie opérationnelle.Certains de ces changements se produisent en quelques secondes ou minutes – d’autres sur des mois, voire des années.

"À notre connaissance, aucune étude antérieure n'a utilisé le type de modèle de batterie haute fidélité et multi-échelles de temps que nous avons créé", a déclaré Onori, directeur du Stanford Energy Control Lab.

Les simulations effectuées avec le modèle suggèrent qu'une batterie moderne peut être optimisée et contrôlée en tenant compte des différences entre ses cellules constitutives.Onori et ses collègues envisagent que leur modèle soit utilisé pour guider le développement de systèmes de gestion de batterie dans les années à venir, qui pourront être facilement déployés dans les conceptions de véhicules existantes.

Les véhicules électriques ne sont pas les seuls à en bénéficier.Pratiquement toute application qui « sollicite beaucoup la batterie » pourrait être un bon candidat pour une meilleure gestion éclairée par les nouveaux résultats, a déclaré Onori.Un exemple?Avion de type drone à décollage et atterrissage verticaux électriques, parfois appelé eVTOL, que certains entrepreneurs espèrent exploiter comme taxi aérien et fournir d'autres services de mobilité aérienne urbaine au cours de la prochaine décennie.Pourtant, d’autres applications pour les batteries lithium-ion rechargeables nous attendent, notamment l’aviation générale et le stockage à grande échelle d’énergie renouvelable.

« Les batteries lithium-ion ont déjà changé le monde à bien des égards », a déclaré Onori.« Il est important que nous tirions le meilleur parti possible de cette technologie transformatrice et de ses successeurs à venir. »