باتری‌های خودروهای برقی تا ۴۰٪ بیش از حد انتظار دوام دارند!

طول عمر باتری‌های خودروهای برقی بیشتر از پیش‌بینی‌ها

براساس یک مطالعه جدید که توسط دانشمندان مرکز باتری SLAC-استنفورد انجام شده است، باتری‌های خودروهای برقی در شرایط استفاده عادی رانندگان واقعی—مانند ترافیک سنگین، سفرهای طولانی در بزرگراه، سفرهای کوتاه در شهر و عمدتاً پارک بودن—می‌توانند حدود یک سوم بیشتر از پیش‌بینی‌های قبلی دوام بیاورند. این موضوع نشان می‌دهد که مالک یک خودروی برقی معمولی ممکن است نیازی به تعویض بسته باتری گران‌قیمت یا خرید یک خودروی جدید برای چند سال اضافی نداشته باشد.

به طور معمول، دانشمندان و مهندسان باتری، عمر چرخه‌های طراحی‌های جدید باتری را در آزمایشگاه‌ها با استفاده از نرخ تخلیه ثابت و سپس شارژ مجدد آزمایش می‌کنند. آن‌ها این چرخه را به سرعت چندین بار تکرار می‌کنند تا زودتر بفهمند آیا طراحی جدید برای طول عمر مناسب است یا خیر. اما به گفته این مطالعه که در تاریخ ۹ دسامبر در نشریه Nature Energy منتشر شده، این روش برای پیش‌بینی طول عمر باتری‌های خودروهای برقی، به ویژه برای افرادی که از این خودروها برای رفت و آمد روزمره استفاده می‌کنند، مناسب نیست.

در حالی که قیمت باتری‌ها در ۱۵ سال گذشته حدود ۹۰ درصد کاهش یافته است، باتری‌ها هنوز تقریباً یک سوم قیمت یک خودروی جدید را تشکیل می‌دهند. بنابراین، رانندگان فعلی و آینده خودروهای برقی ممکن است از این خبر خوشحال شوند. سیمونا اونوری، نویسنده ارشد و استاد علوم و مهندسی انرژی در مدرسه پایداری دور استنفورد می‌گوید: «ما باتری‌های خودروهای برقی را به روش صحیح آزمایش نکرده‌ایم.» او ادامه می‌دهد: «به طور غیرمنتظره‌ای، رانندگی واقعی با شتاب‌گیری و ترمزهای مکرر که باتری‌ها را کمی شارژ می‌کند، توقف برای خرید و استراحت دادن به باتری‌ها برای ساعت‌ها، باعث می‌شود باتری‌ها بیشتر از آنچه که بر اساس آزمایش‌های استاندارد صنعتی تصور می‌کردیم، دوام بیاورند.»

یک شگفتی خوشایند

محققان چهار نوع پروفایل تخلیه باتری خودروهای برقی طراحی کردند، از تخلیه ثابت استاندارد تا تخلیه دینامیک بر اساس داده‌های واقعی رانندگی. تیم تحقیقاتی ۹۲ باتری تجاری لیتیوم-یونی را برای بیش از دو سال در پروفایل‌های تخلیه آزمایش کردند. در نهایت، هرچه پروفایل‌ها به رفتار واقعی رانندگی نزدیک‌تر بودند، طول عمر خودروهای برقی بیشتر افزایش یافت.

این مطالعه نشان می‌دهد که چندین عامل به طول عمر غیرمنتظره باتری‌ها کمک می‌کند. یک الگوریتم یادگیری ماشین که بر اساس تمام داده‌های جمع‌آوری شده توسط تیم آموزش دیده بود، به شناسایی تأثیرات پروفایل‌های تخلیه دینامیک بر کاهش کیفیت باتری کمک کرد.

تحقیق جدید: تأثیر شتاب‌های کوتاه بر عمر باتری‌های الکتریکی

این مطالعه نشان داد که بین شتاب‌های تند و کوتاه در خودروهای الکتریکی و کاهش عمر باتری‌ها رابطه‌ای وجود دارد. این یافته با فرضیات دیرینه محققان باتری، از جمله تیم این مطالعه، که بر این باور بودند که اوج شتاب‌ها برای باتری‌های الکتریکی مضر است، در تضاد قرار دارد. فشردن پدال با پا به شدت، باعث تسریع در پیری باتری نمی‌شود. بلکه، به گفته الکسیس گسلین، یکی از سه نویسنده اصلی این مطالعه و دانشجوی دکتری در رشته‌های علم مواد و مهندسی و علوم کامپیوتر در دانشکده مهندسی استنفورد، این عمل حتی می‌تواند باعث کند شدن آن شود.

دو روش برای پیری باتری

تیم تحقیق همچنین به بررسی تفاوت‌های پیری باتری ناشی از چرخه‌های شارژ و دشارژ متعدد در مقایسه با پیری باتری که تنها به مرور زمان اتفاق می‌افتد، پرداخت. باتری‌های خانگی شما که سال‌ها در یک کشو بی‌استفاده مانده‌اند، به خوبی زمانی که آن‌ها را خریدید، عمل نخواهند کرد، اگر اصلاً کار کنند. گسلین گفت: “ما مهندسان باتری فرض کرده‌ایم که پیری ناشی از چرخه‌ها بسیار مهم‌تر از پیری ناشی از زمان است. این موضوع بیشتر برای خودروهای الکتریکی تجاری مانند اتوبوس‌ها و ون‌های تحویل که تقریباً همیشه در حال استفاده یا شارژ هستند، صادق است.” او افزود: “برای مصرف‌کنندگانی که از خودروهای الکتریکی خود برای رفتن به محل کار، بردن بچه‌ها، خرید از فروشگاه و عمدتاً بدون استفاده یا حتی شارژ کردن آن‌ها استفاده می‌کنند، زمان به عامل اصلی پیری نسبت به چرخه‌ها تبدیل می‌شود.”

این مطالعه یک نقطه بهینه برای نرخ دشارژ متوسط شناسایی کرده است که تعادل بین پیری ناشی از زمان و پیری ناشی از چرخه‌ها را برقرار می‌کند، حداقل برای باتری تجاری که آزمایش کردند. خوشبختانه، این بازه در محدوده رانندگی واقعی خودروهای الکتریکی مصرف‌کنندگان قرار دارد. خودروسازان می‌توانند نرم‌افزار مدیریت باتری خودروهای الکتریکی خود را به‌روزرسانی کنند تا از یافته‌های جدید بهره‌برداری کنند و عمر باتری را در شرایط واقعی به حداکثر برسانند.

نگاه به آینده

لِ ژو، پژوهشگر پسادکتری در علم و مهندسی انرژی، گفت: “در آینده، ارزیابی شیمی‌ها و طراحی‌های جدید باتری با پروفایل‌های تقاضای واقعی بسیار مهم خواهد بود.” او ادامه داد: “محققان اکنون می‌توانند مکانیزم‌های پیری فرضی را در سطوح شیمیایی، مواد و سلول‌ها دوباره بررسی کنند تا درک عمیق‌تری پیدا کنند. این امر توسعه الگوریتم‌های کنترلی پیشرفته‌ای را تسهیل خواهد کرد که استفاده از معماری‌های باتری تجاری موجود را بهینه می‌کند.”

این مطالعه همچنین نشان می‌دهد که تأثیرات آن فراتر از باتری‌هاست. دانشمندان و مهندسان می‌توانند اصول این تحقیق را به سایر کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی و همچنین به سایر مواد و دستگاه‌ها در علوم فیزیکی که پیری در آن‌ها اهمیت دارد، مانند پلاستیک‌ها، شیشه‌ها، سلول‌های خورشیدی و برخی بیومواد مورد استفاده در ایمپلنت‌ها، اعمال کنند. آنوری گفت: “این کار قدرت ادغام چندین حوزه تخصصی — از علم مواد، کنترل و مدل‌سازی تا یادگیری ماشین — برای پیشبرد نوآوری را نشان می‌دهد.”