Efallai mai'r gyfrinach i oes hir batris aildrydanadwy yw cofleidio gwahaniaeth. Mae modelu newydd o sut mae celloedd lithiwm-ion mewn pecyn yn dirywio yn dangos ffordd o deilwra gwefru i gapasiti pob cell fel y gall batris cerbydau trydan ymdopi â mwy o gylchoedd gwefru ac atal methiant.

Cyhoeddwyd yr ymchwil ar 5 Tachwedd ynTrafodion IEEE ar Dechnoleg Systemau Rheoli, yn dangos sut y gall rheoli faint o gerrynt trydanol sy'n llifo i bob cell mewn pecyn yn weithredol, yn hytrach na chyflenwi gwefr yn unffurf, leihau traul a rhwyg. Mae'r dull yn caniatáu i bob cell fyw ei hoes orau – a'i hoes hiraf – yn effeithiol.

Yn ôl yr athro o Stanford ac awdur uwch yr astudiaeth Simona Onori, mae efelychiadau cychwynnol yn awgrymu y gallai batris a reolir gyda'r dechnoleg newydd ymdopi ag o leiaf 20% yn fwy o gylchoedd gwefru-rhyddhau, hyd yn oed gyda gwefru cyflym mynych, sy'n rhoi straen ychwanegol ar y batri.

Mae'r rhan fwyaf o ymdrechion blaenorol i ymestyn oes batri ceir trydan wedi canolbwyntio ar wella dyluniad, deunyddiau a gweithgynhyrchu celloedd sengl, yn seiliedig ar y rhagdybiaeth, fel dolenni mewn cadwyn, mai dim ond cystal â'i gell wannaf y mae pecyn batri. Mae'r astudiaeth newydd yn dechrau gyda dealltwriaeth, er bod dolenni gwan yn anochel - oherwydd amherffeithrwydd gweithgynhyrchu ac oherwydd bod rhai celloedd yn dirywio'n gyflymach nag eraill wrth iddynt gael eu hamlygu i straen fel gwres - nad oes angen iddynt ddymchwel y pecyn cyfan. Y gamp yw teilwra cyfraddau gwefru i gapasiti unigryw pob cell i atal methiant.

“Os na chânt eu datrys yn iawn, gall amrywioldeb rhwng celloedd beryglu hirhoedledd, iechyd a diogelwch pecyn batri ac achosi camweithrediad cynnar y pecyn batri,” meddai Onori, sy’n athro cynorthwyol peirianneg gwyddor ynni yn Ysgol Gynaliadwyedd Stanford Doerr. “Mae ein dull yn cydraddoli’r ynni ym mhob cell yn y pecyn, gan ddod â phob cell i’r cyflwr gwefr terfynol a dargedir mewn modd cytbwys a gwella hirhoedledd y pecyn.”

Wedi'i ysbrydoli i adeiladu batri miliwn milltir

Mae rhan o'r ysgogiad ar gyfer yr ymchwil newydd yn olrhain yn ôl i gyhoeddiad yn 2020 gan Tesla, y cwmni ceir trydan, am waith ar "fatri miliwn milltir." Byddai hwn yn fatri sy'n gallu pweru car am 1 filiwn milltir neu fwy (gyda gwefru rheolaidd) cyn cyrraedd y pwynt lle, fel y batri lithiwm-ion mewn hen ffôn neu liniadur, mae batri'r cerbyd trydan yn dal rhy ychydig o wefr i fod yn weithredol.

Byddai batri o'r fath yn para mwy na gwarant nodweddiadol gwneuthurwyr ceir ar gyfer batris cerbydau trydan o wyth mlynedd neu 100,000 milltir. Er bod pecynnau batri yn para'n hirach na'u gwarant yn rheolaidd, gellid cynyddu hyder defnyddwyr mewn cerbydau trydan pe bai pecynnau batri newydd drud yn dod yn brinnach fyth. Gallai batri a all ddal gwefr o hyd ar ôl miloedd o ail-wefriadau hefyd hwyluso'r ffordd ar gyfer trydaneiddio tryciau pellter hir, ac ar gyfer mabwysiadu'r hyn a elwir yn systemau cerbyd-i-grid, lle byddai batris cerbydau trydan yn storio ac yn anfon ynni adnewyddadwy ar gyfer y grid pŵer.

“Eglurwyd yn ddiweddarach nad cemeg newydd oedd y cysyniad batri miliwn milltir mewn gwirionedd, ond dim ond ffordd o weithredu’r batri trwy beidio â’i wneud yn defnyddio’r ystod wefru lawn,” meddai Onori. Mae ymchwil gysylltiedig wedi canolbwyntio ar gelloedd lithiwm-ion sengl, nad ydynt fel arfer yn colli capasiti gwefru mor gyflym â phecynnau batri llawn.

Wedi’i chwilfrydu, penderfynodd Onori a dau ymchwilydd yn ei labordy – yr ysgolhaig ôl-ddoethurol Vahid Azimi a’r myfyriwr PhD Anirudh Allam – ymchwilio i sut y gallai rheoli mathau presennol o fatris mewn ffordd ddyfeisgar wella perfformiad a bywyd gwasanaeth pecyn batri llawn, a all gynnwys cannoedd neu filoedd o gelloedd.

Model batri ffyddlondeb uchel

Fel cam cyntaf, creodd yr ymchwilwyr fodel cyfrifiadurol ffyddlondeb uchel o ymddygiad batri a oedd yn cynrychioli'n gywir y newidiadau ffisegol a chemegol sy'n digwydd y tu mewn i fatri yn ystod ei oes weithredol. Mae rhai o'r newidiadau hyn yn datblygu mewn eiliadau neu funudau - eraill dros fisoedd neu hyd yn oed flynyddoedd.

“Hyd eithaf ein gwybodaeth, nid oes unrhyw astudiaeth flaenorol wedi defnyddio’r math o fodel batri ffyddlondeb uchel, aml-raddfa amser a greon ni,” meddai Onori, sy’n gyfarwyddwr Labordy Rheoli Ynni Stanford.

Awgrymodd rhedeg efelychiadau gyda'r model y gellir optimeiddio a rheoli pecyn batri modern trwy groesawu gwahaniaethau ymhlith ei gelloedd cyfansoddol. Mae Onori a'i gydweithwyr yn rhagweld y bydd eu model yn cael ei ddefnyddio i arwain datblygiad systemau rheoli batri yn y blynyddoedd i ddod y gellir eu defnyddio'n hawdd mewn dyluniadau cerbydau presennol.

Nid cerbydau trydan yn unig sy'n elwa. Gallai bron unrhyw gymhwysiad sy'n "rhoi llawer o straen ar y pecyn batri" fod yn ymgeisydd da ar gyfer gwell rheolaeth wedi'i lywio gan y canlyniadau newydd, meddai Onori. Un enghraifft? Awyrennau tebyg i drôn gyda esgyn a glanio fertigol trydan, a elwir weithiau'n eVTOL, y mae rhai entrepreneuriaid yn disgwyl iddynt weithredu fel tacsis awyr a darparu gwasanaethau symudedd awyr trefol eraill dros y degawd nesaf. Eto i gyd, mae cymwysiadau eraill ar gyfer batris lithiwm-ion aildrydanadwy yn denu, gan gynnwys awyrenneg gyffredinol a storio ynni adnewyddadwy ar raddfa fawr.

“Mae batris lithiwm-ion eisoes wedi newid y byd mewn cymaint o ffyrdd,” meddai Onori. “Mae’n bwysig ein bod ni’n cael cymaint ag y gallwn ni allan o’r dechnoleg drawsnewidiol hon a’i holynwyr i ddod.”