Οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν ανέπτυξαν μια τροποποιημένη διαδικασία κατασκευής για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων (EV) που ενισχύει σημαντικά τις ταχύτητες φόρτισης σε κρύο καιρό. Η καινοτομία αντιμετωπίζει μια από τις μεγαλύτερες ανησυχίες για την υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων - τη μειωμένη απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες.
Το όραμα της μελέτης
«Οραματιζόμαστε αυτήν την προσέγγιση ως κάτι που οι κατασκευαστές μπαταριών EV θα μπορούσαν να υιοθετήσουν χωρίς σημαντικές αλλαγές στα υπάρχοντα εργοστάσια», δήλωσε ο Neil Dasgupta, αναπληρωτής καθηγητής μηχανολογίας και επιστήμης υλικών και μηχανικής στο U-M.
Η μελέτη σκιαγραφεί ένα νέο μονοπάτι για την επίτευξη εξαιρετικά γρήγορης φόρτισης σε χαμηλές θερμοκρασίες χωρίς να θυσιάζεται η ενεργειακή πυκνότητα.
Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου που χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο μπορούν να φορτίσουν 500% πιο γρήγορα ακόμη και σε θερμοκρασίες τόσο χαμηλές όσο -10 °C. Η βασική βελτίωση προέρχεται από μια δομική τροποποίηση και την τροποποίηση της επίστρωσης που αποτρέπει την επικάλυψη λιθίου στα ηλεκτρόδια, ένα κοινό πρόβλημα που υποβαθμίζει την απόδοση της μπαταρίας. Ως αποτέλεσμα, αυτές οι μπαταρίες διατηρούν το 97% της χωρητικότητάς τους μετά από 100 κύκλους ταχείας φόρτισης σε συνθήκες υπόψυξης.
Πώς λειτουργεί το σύστημα;
Οι τυπικές μπαταρίες EV αποθηκεύουν και απελευθερώνουν ισχύ μετακινώντας ιόντα λιθίου μεταξύ των ηλεκτροδίων μέσω ενός υγρού ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, σε χαμηλές θερμοκρασίες, αυτή η κίνηση επιβραδύνεται, μειώνοντας την απόδοση της μπαταρίας και την ταχύτητα φόρτισης. Για να επεκτείνουν την εμβέλεια, οι αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν κάνει τα ηλεκτρόδια της μπαταρίας παχύτερα, αλλά αυτό επίσης επιβραδύνει τη φόρτιση.
Η ομάδα του Dasgupta ανέπτυξε μια τεχνική για τη βελτίωση της ταχύτητας φόρτισης δημιουργώντας μονοπάτια μεγέθους 40 micron στην άνοδο. Χρησιμοποιώντας διάτρηση με λέιζερ, επέτρεψαν στα ιόντα λιθίου να κινούνται πιο ελεύθερα, βελτιώνοντας τη φόρτιση σε θερμοκρασία δωματίου. Ωστόσο, η ψυχρή φόρτιση παρέμεινε πρόκληση.
Η ομάδα ανακάλυψε ότι ένα χημικό στρώμα που σχηματιζόταν στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου σε ψυχρές συνθήκες ήταν ο ένοχος. «Αυτή η επένδυση εμποδίζει τη φόρτιση ολόκληρου του ηλεκτροδίου, μειώνοντας για άλλη μια φορά την ενεργειακή χωρητικότητα της μπαταρίας», εξήγησε ο Manoj Jangid, ανώτερος ερευνητής στη μηχανολογία και συν-συγγραφέας της μελέτης.
Για να το λύσουν αυτό, εφάρμοσαν μια λεπτή υάλινη επίστρωση 20 νανομέτρων από ανθρακικό βορικό λίθιο. Αυτό απέτρεψε το σχηματισμό του προβληματικού επιφανειακού στρώματος και, όταν συνδυαζόταν με τα κανάλια με διάτρηση με λέιζερ, είχε ως αποτέλεσμα 500% ταχύτερη φόρτιση σε θερμοκρασίες κατάψυξης.
«Με τη συνέργεια μεταξύ των αρχιτεκτονικών 3D και της τεχνητής διεπαφής, αυτή η εργασία μπορεί ταυτόχρονα να αντιμετωπίσει το τρίλημμα της γρήγορης φόρτισης σε χαμηλή θερμοκρασία για οδήγηση μεγάλης απόστασης», δήλωσε ο Tae Cho, πρόσφατος Ph.D. πτυχιούχος μηχανολόγος μηχανικός και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Είναι αυτή η τεχνολογία η λύση για τους καταναλωτές;
Ενώ τα EV έχουν αυξηθεί σε δημοτικότητα, ο δισταγμός των καταναλωτών παραμένει. Μια πρόσφατη έρευνα αποκάλυψε ότι το ποσοστό των ενηλίκων των ΗΠΑ που είναι πιθανό να αγοράσουν ένα EV μειώθηκε από 23% το 2023 σε 18% το 2024.
Μία από τις μεγαλύτερες ανησυχίες είναι πώς μειώνεται η εμβέλεια των EV το χειμώνα, σε συνδυασμό με χαμηλότερες ταχύτητες φόρτισης. Οι αναφορές από το κρύο του Ιανουαρίου 2024 τόνισαν ότι οι χρόνοι φόρτισης για ορισμένα οχήματα επεκτάθηκαν σε πάνω από μία ώρα λόγω των χαμηλών θερμοκρασιών.
"Η φόρτιση μιας μπαταρίας EV διαρκεί 30 έως 40 λεπτά ακόμη και για επιθετική γρήγορη φόρτιση, και αυτός ο χρόνος αυξάνεται σε πάνω από μία ώρα το χειμώνα. Αυτό είναι το σημείο πόνου που θέλουμε να αντιμετωπίσουμε", δήλωσε ο Dasgupta στο δελτίο τύπου.
Η έρευνα διεξήχθη στο U-M Battery Lab και στο Michigan Center for Materials Characterization. Η ομάδα έχει υποβάλει αίτηση για προστασία διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας με την υποστήριξη της U-M Innovation Partnerships. Εν τω μεταξύ, η Arbor Battery Innovations έχει αδειοδοτήσει την τεχνολογία καναλιών και εργάζεται προς την εμπορευματοποίηση.
www.worldenergynews.gr
