Πιο κοντά στη “δεύτερη ζωή” των μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων

Η επαναχρησιμοποίηση των μπαταριών ιόντων λιθίου από ηλεκτρικά αυτοκίνητα γίνεται ολοένα και πιο σημαντική καθώς τα οχήματα γίνονται πιο διαδεδομένα. Ωστόσο, παρά τις σημαντικές δυνατότητες εξοικονόμησης πόρων, η ανακύκλωση δεν έχει ακόμη καθιερωθεί για τεχνικούς και οικονομικούς λόγους. Το ερευνητικό πρόγραμμα «QuaLiProM» στοχεύει τώρα να το αλλάξει αυτό.

Ως μέρος του ερευνητικού έργου που χρηματοδοτείται από το Ομοσπονδιακό Υπουργείο Παιδείας και Έρευνας (BMBF) της Γερμανίας, στο οποίο συμμετέχουν το Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM, το Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander Erlangen-Nuremberg και η εταιρεία Industrial Dynamics, η διεπιστημονική ομάδα του έργου έχει να αντιμετωπίσει ερωτήματα όπως:

Είναι δυνατή η επαναχρησιμοποίηση χρησιμοποιημένων μπαταριών από ηλεκτρικά οχήματα αποτελεσματικά και με ασφάλεια;

Ποια τεχνικά και οικονομικά εμπόδια πρέπει να ξεπεραστούν;

Με βάση αυτά, το QuaLiProM έχει θέσει ως επιστημονικό στόχο τον προσδιορισμό της υπολειπόμενης χωρητικότητας και της διάρκειας ζωής των χρησιμοποιημένων μπαταριών ιόντων λιθίου με μη καταστροφικό, γρήγορο και ασφαλή τρόπο, ώστε να είναι δυνατή μια αξιόπιστη και οικονομικά βιώσιμη δεύτερη χρήση.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χάνουν χωρητικότητα αποθήκευσης με την πάροδο του χρόνου και η απόδοσή τους μειώνεται ανάλογα με την πάροδο του χρόνου. Η κατάσταση της υγείας μιας μπαταρίας ορίζεται συνήθως από την κατάσταση υγείας (SoH), η οποία περιγράφει την αλλαγή που σχετίζεται με την ηλικία στην κατάσταση ενός στοιχείου σε σχέση με την αρχική του κατάσταση. Ο προσδιορισμός του SoH είναι ένας βασικός παράγοντας για την αξιολόγηση της απόδοσης και της διάρκειας ζωής των μπαταριών.

Μέχρι σήμερα, έχουν χρησιμοποιηθεί πειραματικές μέθοδοι όπως δοκιμές χωρητικότητας, φασματοσκοπία ηλεκτροχημικής σύνθετης αντίστασης ή δοκιμές διάρκειας ζωής για τον προσδιορισμό του SoH των μπαταριών, ενώ το έργο «QuaLiProM» χρησιμοποιεί την κβαντική μαγνητομετρία.

Αυτή η μέθοδος, η οποία χρησιμοποιείται ήδη στην έρευνα για τις μπαταρίες, επιτρέπει τον γρήγορο, οικονομικό και ακριβή προσδιορισμό της κατάστασης της υγείας των στοιχείων της μπαταρίας. Με τη βοήθεια αυτής της μεθόδου, η εξαρτώμενη από την κατάσταση μαγνήτιση ενός στοιχείου μπαταρίας μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια. Τα ελαττώματα και η κατάσταση φόρτισης μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας κβαντικούς αισθητήρες.

Το έργο «QuaLiProM» συνδυάζει τώρα την κβαντική μαγνητομετρία και την τεχνητή νοημοσύνη για να αναπτύξει μια μέθοδο μέτρησης υψηλής ταχύτητας που θα επιτρέψει την ταξινόμηση των στοιχείων με βάση την κατάσταση της υγείας τους σε βιομηχανικές εφαρμογές. Για την ανάπτυξη αυτής της μεθοδολογίας ταχείας δοκιμής, τα στοιχεία ιόντων λιθίου υποβάλλονται σε εξαναγκασμένη αποικοδόμηση χρησιμοποιώντας δοκιμές κυκλικής γήρανσης.

Τα στοιχεία της μπαταρίας που έχουν μεταφερθεί σε καθορισμένες καταστάσεις γήρανσης χρησιμοποιώντας τα τεστ γήρανσης αναλύονται. Ο κβαντικός αισθητήρας μετρά το μαγνητικό πεδίο των στοιχείων με μεγάλη ακρίβεια.

Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται αντιστοιχίσεις μαγνητικού πεδίου που παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με πιθανές ανωμαλίες στα στοιχεία της μπαταρίας.

Αυτή η μη καταστροφική μέθοδος δεν απαιτεί χρονοβόρους κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης και επομένως είναι κατάλληλη για χρήση στην παραγωγή στοιχείων καθώς και στη διαδικασία ανακύκλωσης. Η επικείμενη μεταφορά της μεθοδολογίας από το εργαστηριακό επίπεδο στη βιομηχανική κλίμακα είναι ένας από τους κύριους στόχους του έργου.

Για την ανάλυση των χαρτογραφήσεων του μαγνητικού πεδίου με βάση την τεχνητή νοημοσύνη, χρησιμοποιούνται καινοτόμες μέθοδοι βαθιάς μάθησης (Deep Learning) για τον εντοπισμό χαρακτηριστικών, τα οποία δείχνουν μια σαφή συσχέτιση με την κατάσταση γήρανσης των στοιχείων.

Αυτά τα χαρακτηριστικά χρησιμοποιούνται για την ταξινόμηση των στοιχείων ανάλογα με την κατάσταση της υγείας τους, κατηγοριοποιώντας τα ως υγιή, υποβαθμισμένα ή ελαττωματικά.

Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να εντοπιστούν υποβαθμισμένα αλλά λειτουργικά στοιχεία που δεν είναι πλέον κατάλληλα για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα λόγω ανεπαρκούς χωρητικότητας.

Με την ανάπτυξη κατάλληλων στρατηγικών ανακύκλωσης και την έρευνα νέων εφαρμογών δεύτερης ζωής σε λιγότερο απαιτητικές περιοχές, το έργο στοχεύει να προωθήσει τη βιώσιμη και αποδοτική από πλευράς πόρων χρήση των στοιχείων μπαταρίας και να επιταχύνει τη μεταφορά τους στη βιομηχανία.