قد تدوم بطاريات السيارات الكهربائية الحالية ما يصل إلى 40% أطول مما كان متوقعًا

وفقًا لدراسة جديدة أجراها علماء يعملون في مركز بطاريات SLAC-Stanford، وهو مركز مشترك بين معهد Precourt للطاقة بجامعة ستانفورد ومختبر SLAC National Accelerator، فإن بطاريات المركبات الكهربائية التي تخضع للاستخدام الطبيعي للسائقين في العالم الحقيقي - مثل حركة المرور الكثيفة، والرحلات الطويلة على الطرق السريعة، والرحلات القصيرة في المدينة، ومعظمها متوقفة - يمكن أن تدوم حوالي الثلث أطول مما توقعه الباحثون عمومًا. يشير هذا إلى أن مالك السيارة الكهربائية النموذجية قد لا يحتاج إلى استبدال حزمة البطارية باهظة الثمن أو شراء سيارة جديدة لعدة سنوات إضافية. في جميع الأحوال تقريبًا، اختبر علماء البطاريات ومهندسوها دورة حياة تصميمات البطاريات الجديدة في المختبرات باستخدام معدل ثابت من التفريغ يتبعه إعادة الشحن. يكررون هذه الدورة بسرعة عدة مرات ليتعلموا بسرعة ما إذا كان التصميم الجديد جيدًا أم لا من حيث متوسط العمر المتوقع، من بين صفات أخرى. هذه ليست طريقة جيدة للتنبؤ بمتوسط العمر المتوقع لبطاريات السيارات الكهربائية، وخاصة للأشخاص الذين يمتلكون سيارات كهربائية للتنقل اليومي، وفقًا للدراسة التي نُشرت في 9 ديسمبر في Nature Energy.

في حين انخفضت أسعار البطاريات بنحو 90% على مدى السنوات الخمس عشرة الماضية، لا تزال البطاريات تمثل ما يقرب من ثلث سعر السيارة الكهربائية الجديدة. لذا، قد يسعد ركاب السيارات الكهربائية الحاليين والمستقبليين بمعرفة أن أميالاً إضافية كثيرة تنتظرهم. قالت سيمونا أونوري، المؤلفة الرئيسية وأستاذة مشاركة في علوم وهندسة الطاقة في كلية ستانفورد دور للاستدامة: "لم نختبر بطاريات السيارات الكهربائية بالطريقة الصحيحة. ولدهشتنا، فإن القيادة الحقيقية مع التسارع المتكرر، والكبح الذي يشحن البطاريات قليلاً، والتوقف للذهاب إلى المتجر، وترك البطاريات ترتاح لساعات في كل مرة، يساعد البطاريات على الاستمرار لفترة أطول مما كنا نعتقد بناءً على اختبارات المعمل القياسية في الصناعة".

مفاجأة سارة

صمم الباحثون أربعة أنواع من ملفات تعريف تفريغ المركبات الكهربائية، من التفريغ الثابت القياسي إلى التفريغ الديناميكي استنادًا إلى بيانات القيادة الحقيقية. اختبر فريق البحث 92 بطارية ليثيوم أيون تجارية لأكثر من عامين عبر ملفات تعريف التفريغ. في النهاية، كلما كانت الملفات التعريفية تعكس سلوك القيادة الفعلي بشكل أكثر واقعية، ارتفع متوسط

العمر المتوقع للسيارات الكهربائية. وجدت الدراسة أن العديد من العوامل تساهم في طول العمر غير المتوقع. ساعدت خوارزمية التعلم الآلي المدربة على جميع البيانات التي جمعها الفريق في استخلاص تأثيرات ملفات تعريف التفريغ الديناميكي على تدهور البطارية. على سبيل المثال، أظهرت الدراسة وجود علاقة بين تسارعات المركبات الكهربائية الحادة والقصيرة والتدهور الأبطأ. كان هذا يتعارض مع الافتراضات التي تبناها باحثو البطاريات منذ فترة طويلة، بما في ذلك فريق هذه الدراسة، بأن ذروة التسارع سيئة لبطاريات المركبات الكهربائية. إن الضغط على الدواسة بقدمك بقوة لا يسرع الشيخوخة. إذا كان هناك أي شيء، فإنه يبطئها، كما أوضح أليكسيس جيسلين، أحد المؤلفين الرئيسيين الثلاثة للدراسة وطالب الدكتوراه في علوم وهندسة المواد وفي علوم الكمبيوتر في كلية الهندسة بجامعة ستانفورد.

طريقتان للتقدم في العمر

بحث فريق البحث أيضًا عن الاختلافات في عمر البطارية بسبب العديد من دورات تفريغ الشحن مقابل عمر البطارية الذي يأتي مع مرور الوقت. لن تعمل البطاريات الموجودة في منزلك والتي كانت غير مستخدمة في درج لسنوات بنفس الجودة التي كانت عليها عندما اشتريتها، إذا كانت تعمل على الإطلاق. قال جيسلين: "لقد افترضنا نحن مهندسو البطاريات أن شيخوخة الدورة أكثر أهمية بكثير من الشيخوخة الناجمة عن الوقت. وهذا صحيح في الغالب بالنسبة للسيارات الكهربائية التجارية مثل الحافلات وشاحنات التوصيل التي تكون دائمًا إما قيد الاستخدام أو يتم إعادة شحنها". "بالنسبة للمستهلكين الذين يستخدمون سياراتهم الكهربائية للذهاب إلى العمل، أو اصطحاب أطفالهم، أو الذهاب إلى متجر البقالة، ولكن في الغالب لا يستخدمونها أو حتى يشحنونها، يصبح الوقت هو السبب الرئيسي للشيخوخة على الدورة". تحدد الدراسة نقطة مثالية لمعدل التفريغ المتوسط

لموازنة شيخوخة الوقت وشيخوخة الدورة، على الأقل بالنسبة للبطارية التجارية التي اختبروها. لحسن الحظ، تقع هذه النافذة في نطاق القيادة الواقعية للسيارات الكهربائية للمستهلكين. يمكن لشركات صناعة السيارات تحديث برنامج إدارة بطاريات السيارات الكهربائية الخاصة بها للاستفادة من النتائج الجديدة وتعظيم عمر البطارية في ظل الظروف الواقعية.

التطلع إلى المستقبل

"قال باحث ما بعد الدكتوراه في علوم الطاقة والهندسة، لي شو، "إن تقييم الكيمياء والتصميمات الجديدة للبطاريات مع ملفات تعريف الطلب الواقعية سيكون مهمًا حقًا في المستقبل. يمكن للباحثين الآن إعادة النظر في آليات الشيخوخة المفترضة على مستويات الكيمياء والمواد والخلايا لتعميق فهمهم. سيسهل هذا تطوير خوارزميات التحكم المتقدمة التي تعمل على تحسين استخدام هياكل البطاريات التجارية الحالية." تشير الدراسة إلى أن الآثار تمتد إلى ما هو أبعد من البطاريات. يمكن للعلماء والمهندسين تطبيق المبادئ على تطبيقات تخزين الطاقة الأخرى، وكذلك على مواد وأجهزة أخرى في العلوم الفيزيائية حيث يكون الشيخوخة أمرًا بالغ الأهمية، مثل البلاستيك والنظارات والخلايا الشمسية وبعض المواد الحيوية المستخدمة في الغرسات. قال أونوري: "يسلط هذا العمل الضوء على قوة دمج مجالات متعددة من الخبرة - من علم المواد والتحكم والنمذجة إلى التعلم الآلي - لتعزيز الابتكار".