Voorspellen hoe veranderingen in productie, materialen de levensduur van EV-batterijen beïnvloeden

Terwijl de vraag naar batterijen voor elektrische voertuigen blijft groeien, hebben onderzoekers van de Universiteit van Michigan een methode ontwikkeld om te voorspellen hoe veranderingen in productieprocessen en materialen de levensduur van de batterij zullen beïnvloeden.

UM-ingenieurs hebben de interne weerstand, gemeten direct nadat de cellen zijn gemaakt, geïdentificeerd als een belangrijke indicator voor hoe lang een batterij meegaat. De metingen kunnen in slechts enkele seconden worden uitgevoerd aan het einde van het productieproces, met weinig tot geen extra kosten.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat voorspelling van de levensduur mogelijk is, maar het vereist herhaaldelijk fietsen – opladen, ontladen en opnieuw opladen – om gegevens te verzamelen die nodig zijn om het algoritme te trainen. Verouderingstests die nodig zijn om de levensduur te bepalen, kunnen weken tot maanden in beslag nemen. Om deze reden worden de tests uitgevoerd op slechts enkele cellen en niet op alle geproduceerde cellen.

Maar de nieuwe studie, onlangs gepubliceerd in Joule, laat zien dat nauwkeurige levensduur van de batterij kan worden voorspeld met behulp van één weerstandsmeting, of een maatstaf voor hoeveel de batterij de stroom van stroom erin bestrijdt. Die weerstand kan komen van de materialen die worden gebruikt voor interne componenten, of elektrochemische factoren die van invloed zijn op hoe goed ionen tussen de batterij-elektroden bewegen. Het meten van weerstand bij lage laadniveaus is essentieel.

“De weerstandsmeting, bij een lage laadtoestand, kan in principe worden verkregen zonder fietsen, waardoor het modeltrainingsproces veel sneller gaat”, zegt Andrew Weng, een doctoraalstudent werktuigbouwkunde en hoofdauteur van het onderzoek.

Waarom is weerstand zo’n goede barometer voor schattingen van de levensduur van de batterij?

Het kan een indicatie geven van hoeveel lithium is samengevoegd met de vloeibare elektrolyt die ionen van de ene elektrode naar de andere in de batterij brengt. Die combinatielaag, bekend als de vaste elektrolyt-interfase, kan het oppervlak van de elektrode beschermen en een langere levensduur mogelijk maken.

De hoeveelheid lithium die in de interfase van de vaste elektrolyt gaat, is meestal moeilijk te meten. Maar bij een lage laadtoestand hangt de interne weerstand van de batterij nauw samen met de hoeveelheid lithium die in de interfase van de vaste elektrolyt is gegaan. Dit geeft een snelle meting van die beschermende laag, evenals de bedrijfscapaciteit van de batterij, met gewone apparatuur.

Het onderzoek van de UM biedt autofabrikanten een handig hulpmiddel in een tijd waarin de meesten hun productlijnen snel verplaatsen van interne verbrandingstechnologie om hybride en elektrisch vervoer te omarmen. De verschuiving zorgt ervoor dat de industrie concurreert om materialen voor lithium-ionbatterijen, waarbij ze tegelijkertijd de productiviteit willen verhogen en de kosten willen verlagen.

Zoals Reuters eerder deze maand meldde, hebben die factoren bijgedragen aan een “knelpunt voor EV-batterijen”.

“Autofabrikanten proberen altijd de kosten van het produceren van auto’s te verlagen en op dit moment proberen ze EV-batterijen zo kosteneffectief mogelijk te maken”, zegt Anna Stefanopoulou, de William Clay Ford Professor of Technology en leider van het onderzoeksteam . “Dus de vraag die we hebben geprobeerd te beantwoorden, is: ‘Hoe snel kun je leren over de levensduur van de batterij tijdens het productieproces zelf?’

“Het blijkt dat het antwoord is: ‘Onmiddellijk, als je het kritieke signaal kent dat kan worden verkregen in een high-throughput-test.’ Het vinden van dergelijke belangrijke meetbare functies kan eenvoudig worden gebruikt voor continue verbeteringen en het opschalen van de huishoudelijke batterijproductie.”