Studiul ORNL evidențiază nevoia de modele de baterii personalizate pentru aplicațiile eVTOL

Un studiu realizat de o echipă de la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL) evidențiază necesitatea unor designuri chimice adaptate a bateriilor pentru aplicațiile eVTOL pentru a aborda atât placarea anodului, cât și instabilitatea catodului rezultată din cerințele aplicației.

În plus, studiul a constatat că strategiile inovatoare de a doua utilizare ar fi esențiale la finalizarea serviciilor eVTOL. Studiul cu acces deschis apare în revista ACS Energy Letters .

Puterea mare este o cerință critică a bateriilor litiu-ion concepute pentru a satisface profilele de încărcare ale mobilității avansate a aerului. Aici, simulăm pasul inițial de decolare a vehiculelor electrice cu decolare și aterizare verticală (eVTOL) alimentate de o baterie litiu-ion care este supusă unui impuls intens de descărcare de 15C la începutul ciclului de descărcare, urmat de o descărcare ulterioară cu rată scăzută. Am efectuat teste electrochimice extinse pentru a evalua stabilitatea pe termen lung a unei baterii litiu-ion în aceste condiții de întindere mare. Constatarea principală este că, în ciuda recuperării performanței observată la rate scăzute, reaplicarea ratelor ridicate duce la defecțiunea drastică a celulei.

— Dixit și colab.

Cerințe mari de putere în profilurile de sarcină eVTOL și comportamentul electrochimic al bateriilor litiu-ion în pasul de decolare simulat. (A) Diagrama schematică care arată segmentele majore ale unui profil de misiune eVTOL și cerințele de putere corespunzătoare. (B) Profilul curent pentru testarea efectuată în acest studiu. Celulele sunt încărcate la o rată nominală de 1C până când se atinge o stare de încărcare completă (4,2 V limită). La începutul descărcării, se aplică un impuls de curent echivalent cu 15C timp de 45 s. Descărcarea ulterioară se realizează la un curent nominal C/3. Pentru bateriile investigate, 1C corespunde cu aproximativ 0,08 A, iar 15C corespunde cu aproximativ 1,2 A. (C) Curba de polarizare a primului ciclu de încărcare-descărcare, cu linia punctată indicând ciclul de încărcare și linia continuă ilustrând ciclul de descărcare. (D) Reținerea capacității celulei pe cicluri prelungite în cadrul protocolului de descărcare a treptei de urcare simulată. (E) Curbe complete de polarizare și (F) amploare grafică a polarizărilor din segmentul de impuls de descărcare 15C pentru ciclul 1, 25, 50, 75 și 100. Tensiunea de întrerupere de 3 V este identificată printr-o linie întreruptă în (E) și (F). Dixit și colab.

Pentru a înțelege mai bine modul în care evenimentele de tensiune mare, cum ar fi decolarea, pot afecta stabilitatea LiB, Ilias Belharouak, Marm Dixit și colegii au subliniat un set de LiB și au investigat modul în care performanța lor s-a schimbat.

Cercetătorii au fabricat un set de celule LiB care conțin un electrolit special conceput, cu încărcare rapidă și descărcare. Apoi, au consumat de 15 ori capacitatea optimă a bateriei timp de 45 de secunde. Acest proces a simulat descărcarea rapidă și de mare putere necesară în timpul decolării verticale.

După impulsul inițial de descărcare, celulele au fost drenate în continuare la o rată de descărcare mai normală și apoi reîncărcate. Echipa a descoperit că niciuna dintre celulele testate nu a durat mai mult de 100 de cicluri în aceste condiții de stres ridicat, majoritatea începând să prezinte o performanță scăzută în jurul a 85 de cicluri.

După ce au fost stresați, cercetătorii au supus celulele LiB la o putere mai normală, cu o rată mai mică. În acest experiment, ei au observat că celulele și-au păstrat parțial capacitățile în condiții de rată scăzută, dar au eșuat rapid atunci când sunt puse din nou în condiții de scurgere rapidă a curentului.

Aceste rezultate indică faptul că LiB-urile utilizate în mod obișnuit în drone ar putea să nu aibă caracteristicile necesare pentru utilizări pe termen lung, cu stres ridicat, dar ar putea fi retrase și să îndeplinească cerințe mai tipice de energie în alte aplicații, cum ar fi bateriile de rezervă pentru sursele de alimentare. și stocarea energiei în rețea. Cercetătorii spun că este nevoie de mai multă muncă pentru a dezvolta tehnologii alternative de baterii, care sunt mai potrivite pentru decolarea verticală și alte aplicații cu cerere mare de putere.

Autorii recunosc finanțarea de la Laboratorul de cercetare al armatei Comandamentului pentru Dezvoltarea Capabilităților de Luptă al Armatei SUA (DEVCOM).

Resurse

Marm Dixit, Anuj Bisht, Rachid Essehli, Ruhul Amin, Chol-Bum M. Kweon și Ilias Belharouak (2024) „Evaluarea performanței puterii bateriei cu litiu-ion pentru pasul de urcare a unei aplicații electrice de decolare și aterizare verticală (eVTOL)” ACS Energy Letters 0, 9 doi: 10.1021/acsenergylett.3c02385