Uit een onderzoek van Stanford-SLAC blijkt dat het echte stop-and-go-rijden van elektrische voertuigen door consumenten meer voordelen oplevert voor batterijen dan het constante gebruik dat in bijna alle laboratoriumtests van nieuwe batterijontwerpen wordt gesimuleerd.

De accu’s van elektrische voertuigen die normaal worden gebruikt door bestuurders in de praktijk – zoals in druk verkeer, lange snelwegritten, korte stadsritten en voornamelijk geparkeerd staan – zouden ongeveer een derde langer mee kunnen gaan dan onderzoekers over het algemeen hebben voorspeld, volgens een nieuwe studie van wetenschappers van het SLAC-Stanford Battery Center, een gezamenlijk centrum van het Precourt Institute for Energy van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory. Dit suggereert dat de eigenaar van een gemiddelde elektrische auto de dure accu mogelijk pas over enkele jaren hoeft te vervangen of een nieuwe auto hoeft te kopen.

Batterijwetenschappers en -ingenieurs testen de levensduur van nieuwe batterijontwerpen vrijwel altijd in laboratoria met een constante ontladingssnelheid gevolgd door opladen. Ze herhalen deze cyclus snel en vele malen om snel te leren of een nieuw ontwerp goed is voor de levensverwachting, naast andere eigenschappen.

Dit is geen goede manier om de levensduur van elektrische auto-accu’s te voorspellen, vooral niet voor mensen die een elektrische auto bezitten voor dagelijks woon-werkverkeer, aldus de studie die op 9 december werd gepubliceerd in Nature Energy. Hoewel de batterijprijzen de afgelopen 15 jaar met ongeveer 90% zijn gedaald, maken batterijen nog steeds bijna een derde uit van de prijs van een nieuwe elektrische auto. Huidige en toekomstige elektrische forenzen zullen dus blij zijn te horen dat er nog veel meer kilometers te gaan zijn.

“We hebben de batterijen van elektrische auto’s niet op de juiste manier getest”, aldus Simona Onori, hoofdauteur en universitair hoofddocent energiewetenschappen en -techniek aan de Stanford Doerr School of Sustainability. “Tot onze verbazing zorgt echt rijden met frequent accelereren, remmen om de batterijen een beetje op te laden, stoppen om even naar een winkel te gaan en de batterijen urenlang te laten rusten ervoor dat de batterijen langer meegaan dan we hadden gedacht op basis van industriële standaard laboratoriumtests.”

Een aangename verrassing

De onderzoekers ontwierpen vier soorten ontladingsprofielen voor elektrische auto’s, van de standaard constante ontlading tot dynamische ontlading op basis van echte rijgegevens. Het onderzoeksteam testte 92 commerciële lithium-ionbatterijen gedurende meer dan twee jaar met alle ontladingsprofielen. Uiteindelijk bleek dat hoe realistischer de profielen het werkelijke rijgedrag weerspiegelden, hoe hoger de levensverwachting van elektrische auto’s steeg.

Verschillende factoren dragen bij aan de onverwachte levensduur, zo blijkt uit het onderzoek. Een machine learning-algoritme, getraind op alle door het team verzamelde gegevens, hielp de impact van dynamische ontladingsprofielen op de degradatie van de batterij te bepalen.

“Echt rijden met frequente acceleratie, remmen om de accu’s een beetje op te laden, stoppen om even naar een winkel te gaan en de accu’s urenlang laten rusten, zorgt ervoor dat de accu’s langer meegaan dan we hadden gedacht.” – Simona Onori, universitair hoofddocent energiewetenschappen en -techniek

De studie toonde bijvoorbeeld een verband aan tussen scherpe, korte acceleraties van elektrische voertuigen en een langzamere degradatie. Dit was in strijd met de lang gekoesterde aanname van batterijonderzoekers, waaronder het team van deze studie, dat acceleratiepieken slecht zijn voor elektrische autobatterijen. Het hard intrappen van het pedaal versnelt de veroudering niet. Het vertraagt het juist, legde Alexis Geslin uit, een van de drie hoofdauteurs van de studie en promovendus in materiaalkunde en informatica aan de Stanford School of Engineering.

Twee manieren om te verouderen

Het onderzoeksteam zocht ook naar verschillen in batterijveroudering als gevolg van veel laad-ontlaadcycli versus batterijveroudering die nu eenmaal met de tijd komt. Uw batterijen thuis die jarenlang ongebruikt in een la hebben gelegen, zullen niet zo goed werken als toen u ze kocht, als ze überhaupt nog werken.

“Wij, batterijtechnici, zijn ervan uitgegaan dat cyclusveroudering veel belangrijker is dan tijdsgebonden veroudering. Dat geldt vooral voor commerciële elektrische voertuigen zoals bussen en bestelauto’s, die bijna altijd in gebruik zijn of worden opgeladen”, aldus Geslin. “Voor consumenten die hun elektrische voertuigen gebruiken om naar hun werk te gaan, hun kinderen op te halen, naar de supermarkt te gaan, maar ze meestal niet gebruiken of zelfs opladen, wordt tijd de belangrijkste oorzaak van veroudering ten opzichte van cyclusveroudering.”

De studie identificeert een ideale gemiddelde ontladingssnelheid om tijdsgebonden veroudering en cyclusveroudering in evenwicht te brengen, ten minste voor de commerciële batterij die ze hebben getest. Gelukkig ligt dat bereik binnen het bereik van realistisch rijgedrag van elektrische consumenten. Autofabrikanten zouden hun software voor het beheer van hun elektrische voertuigen kunnen updaten om te profiteren van de nieuwe bevindingen en de levensduur van de batterij onder realistische omstandigheden te maximaliseren.

Vooruitblik

“In de toekomst zal het evalueren van nieuwe batterijsamenstellingen en -ontwerpen met realistische vraagprofielen erg belangrijk zijn”, aldus Le Xu, postdoctoraal onderzoeker in energiewetenschappen en -technologie. “Onderzoekers kunnen nu vermoedelijke verouderingsmechanismen op chemisch, materiaal- en celniveau opnieuw bekijken om hun inzicht te verdiepen. Dit zal de ontwikkeling van geavanceerde regelalgoritmen vergemakkelijken die het gebruik van bestaande commerciële batterijarchitecturen optimaliseren.”

De implicaties reiken verder dan alleen batterijen, suggereert het onderzoek. Wetenschappers en ingenieurs zouden de principes kunnen toepassen op andere toepassingen voor energieopslag, evenals op andere materialen en apparaten in de natuurwetenschappen waarbij veroudering cruciaal is, zoals kunststoffen, glas, zonnecellen en sommige biomaterialen die in implantaten worden gebruikt.

“Dit werk benadrukt de kracht van de integratie van meerdere expertisegebieden – van materiaalkunde, regeltechniek en modellering tot machine learning – om innovatie te bevorderen”, aldus Onori.

Bron: Stanford University