ทำไมการชาร์จเร็วถึงทำให้แบตเตอรี่หมด

พวกเขาต้องการเปลี่ยนน้ำมัน แต่ก็ยังมีข้อบกพร่องร้ายแรงที่ผู้ผลิตไม่นิ่งเฉย

ยุคถ่านหินเป็นที่จดจำมานาน ยุคของน้ำมันกำลังจะสิ้นสุดลงเช่นกัน ในทศวรรษที่สามของศตวรรษที่ XNUMX เราอยู่ในยุคของแบตเตอรี่อย่างชัดเจน

บทบาทของพวกเขามีความสำคัญเสมอตั้งแต่ไฟฟ้าเข้ามาในชีวิตมนุษย์ แต่ปัจจุบันเทรนด์สามประการทำให้การกักเก็บพลังงานกลายเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดในโลก

เทรนด์แรกคือความนิยมของอุปกรณ์พกพา เช่น สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต แล็ปท็อป เราเคยต้องการแบตเตอรี่เพื่อใช้กับสิ่งต่างๆ เช่น ไฟฉาย วิทยุพกพา และอุปกรณ์พกพา ทุกวันนี้ ทุกคนมีอุปกรณ์เคลื่อนที่ส่วนตัวอย่างน้อยหนึ่งเครื่องซึ่งเขาใช้เกือบตลอดเวลาและโดยที่ชีวิตของเขาคิดไม่ถึง

แนวโน้มที่สองคือการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนและความคลาดเคลื่อนอย่างฉับพลันระหว่างจุดสูงสุดของการผลิตและการใช้ไฟฟ้า มันเคยเป็นเรื่องง่าย: เมื่อเจ้าของเปิดเตาและทีวีในตอนเย็นและการบริโภคเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ผู้ควบคุมโรงไฟฟ้าพลังความร้อนและโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ก็ต้องเพิ่มพลังงาน แต่ด้วยการสร้างพลังงานแสงอาทิตย์และลม สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้: จุดสูงสุดของการผลิตมักเกิดขึ้นในเวลาที่การบริโภคอยู่ในระดับต่ำสุด ดังนั้นจึงต้องมีการเก็บพลังงานด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง ตัวเลือกหนึ่งคือ "สังคมไฮโดรเจน" ซึ่งไฟฟ้าจะถูกแปลงเป็นไฮโดรเจนแล้วป้อนเชื้อเพลิงให้กับกริดและยานพาหนะไฟฟ้า แต่ค่าใช้จ่ายที่สูงเป็นพิเศษของโครงสร้างพื้นฐานที่จำเป็นและความทรงจำที่ไม่ดีของมนุษยชาติเกี่ยวกับไฮโดรเจน (ฮินเดนบูร์กและอื่นๆ) ทิ้งแนวคิดนี้ไว้ที่ backburner ในตอนนี้

สิ่งที่เรียกว่า "กริดอัจฉริยะ" ในความคิดของฝ่ายการตลาด: รถยนต์ไฟฟ้าได้รับพลังงานส่วนเกินเมื่อมีการผลิตสูงสุดจากนั้นหากจำเป็นก็สามารถส่งคืนให้กับกริดได้ อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่สมัยใหม่ยังไม่พร้อมสำหรับความท้าทายดังกล่าว

คำตอบที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งสำหรับปัญหานี้สัญญาว่าจะเป็นแนวโน้มที่สาม: การเปลี่ยนเครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEVs) หนึ่งในข้อโต้แย้งหลักที่สนับสนุนยานพาหนะไฟฟ้าเหล่านี้คือพวกเขาสามารถเป็นผู้มีส่วนร่วมในตารางและรับส่วนเกินเพื่อส่งคืนเมื่อจำเป็น

ผู้ผลิต EV ทุกรายตั้งแต่ Tesla ไปจนถึง Volkswagen ใช้แนวคิดนี้ในสื่อประชาสัมพันธ์ของตน อย่างไรก็ตามไม่มีใครยอมรับสิ่งที่ชัดเจนสำหรับวิศวกร: แบตเตอรี่ที่ทันสมัยไม่เหมาะกับงานดังกล่าว

เทคโนโลยี LITHIUM-ION ที่ครองตลาดในปัจจุบันและส่งมอบจากตัวติดตามการออกกำลังกายของคุณไปยัง Tesla Model S ที่เร็วที่สุดมีข้อดีมากกว่าแนวคิดเก่า ๆ เช่นแบตเตอรี่กรดตะกั่วหรือนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ แต่มันก็มีข้อ จำกัด บางประการเช่นกันและเหนือสิ่งอื่นใดแนวโน้มของการสูงวัย ..

คนส่วนใหญ่คิดว่าแบตเตอรี่เป็นหลอดชนิดหนึ่งที่กระแสไฟฟ้า "ไหล" อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติแบตเตอรี่ไม่เก็บไฟฟ้าด้วยตัวเอง พวกเขาใช้มันเพื่อกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง จากนั้นพวกเขาสามารถเริ่มปฏิกิริยาตรงข้ามและฟื้นประจุได้

สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนปฏิกิริยาเมื่อปล่อยกระแสไฟฟ้ามีลักษณะดังนี้: ลิเธียมไอออนเกิดขึ้นที่ขั้วบวกในแบตเตอรี่ เหล่านี้คืออะตอมของลิเธียมซึ่งแต่ละอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว ไอออนจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลวไปยังแคโทด และอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยจะถูกส่งผ่านวงจรไฟฟ้าซึ่งให้พลังงานที่เราต้องการ เมื่อแบตเตอรี่เปิดอยู่สำหรับการชาร์จกระบวนการจะย้อนกลับและไอออนจะถูกรวบรวมพร้อมกับอิเล็กตรอนที่หายไป

"การเจริญเติบโตมากเกินไป" ด้วยสารประกอบลิเธียมอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและทำให้แบตเตอรี่ติดไฟได้

อย่างไรก็ตาม น่าเสียดายที่ความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาสูงที่ทำให้ลิเธียมเหมาะสำหรับการผลิตแบตเตอรี่นั้นมีข้อเสีย กล่าวคือ ลิเธียมมีแนวโน้มที่จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ ที่ไม่พึงประสงค์ ดังนั้นสารประกอบลิเธียมชั้นบาง ๆ จึงค่อย ๆ ก่อตัวขึ้นบนขั้วบวกซึ่งขัดขวางปฏิกิริยา ดังนั้นความจุของแบตเตอรี่จึงลดลง ยิ่งมีประจุและคายประจุมากเท่าไร สารเคลือบนี้ก็จะยิ่งหนาขึ้นเท่านั้น บางครั้งยังสามารถปล่อยสิ่งที่เรียกว่า "เดนไดรต์" ซึ่งคิดว่าเป็นหินย้อยของสารประกอบลิเธียมที่ขยายจากแอโนดไปยังแคโทด และหากไปถึง อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและทำให้แบตเตอรี่ติดไฟได้

แต่ละรอบของการชาร์จและคายประจุจะทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสั้นลง แต่การชาร์จอย่างรวดเร็วที่ทันสมัยด้วยกระแสไฟสามเฟสทำให้กระบวนการเร็วขึ้นอย่างมาก สำหรับสมาร์ทโฟนนี่ไม่ใช่อุปสรรคใหญ่สำหรับผู้ผลิต แต่อย่างใด พวกเขาต้องการบังคับให้ผู้ใช้เปลี่ยนอุปกรณ์ทุก XNUMX-XNUMX ปี แต่รถยนต์คือปัญหา

ในการโน้มน้าวให้ผู้บริโภคซื้อยานยนต์ไฟฟ้าผู้ผลิตต้องดึงดูดพวกเขาด้วยตัวเลือกการชาร์จเร็ว แต่สถานีที่รวดเร็วเช่น Ionity ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานในชีวิตประจำวัน

ค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่เป็นอีกสามส่วนและมากกว่าราคาทั้งหมดของรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน เพื่อโน้มน้าวใจลูกค้าว่าพวกเขาไม่ได้ซื้อระเบิดฟ้อง ผู้ผลิตทุกรายจึงให้การรับประกันแบตเตอรี่แยกต่างหากและยาวนานขึ้น ในขณะเดียวกัน พวกเขาพึ่งพาการชาร์จที่เร็วขึ้นเพื่อทำให้รถของพวกเขามีเสน่ห์สำหรับการเดินทางไกล จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ สถานีชาร์จที่เร็วที่สุดดำเนินการที่ 50 กิโลวัตต์ แต่ Mercedes EQC ใหม่สามารถชาร์จได้สูงสุด 110kW, Audi e-tron สูงสุด 150kW ตามที่สถานีชาร์จ European Ionity นำเสนอ และ Tesla กำลังเตรียมที่จะยกระดับมาตรฐานให้สูงขึ้นไปอีก

ผู้ผลิตเหล่านี้ยอมรับอย่างรวดเร็วว่าการชาร์จเร็วจะทำลายแบตเตอรี่ สถานีเช่น Ionity เหมาะสำหรับกรณีฉุกเฉินเมื่อบุคคลเดินทางมาไกลและมีเวลาน้อย มิฉะนั้นการชาร์จแบตเตอรี่ที่บ้านอย่างช้าๆเป็นวิธีการที่ชาญฉลาด

การชาร์จและการคายประจุก็มีความสำคัญต่ออายุการใช้งานเช่นกัน ดังนั้นผู้ผลิตส่วนใหญ่จึงไม่แนะนำให้ชาร์จเกิน 80% หรือต่ำกว่า 20% ด้วยวิธีนี้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะสูญเสียโดยเฉลี่ยประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ของกำลังการผลิตต่อปี ดังนั้นจึงสามารถใช้งานได้ 10 ปีหรือประมาณ 200 กม. ก่อนที่พลังงานจะลดลงมากจนใช้งานไม่ได้ในรถยนต์

สุดท้ายนี้ แน่นอนว่า BATTERY LIFE ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ของมัน ผู้ผลิตแต่ละรายแตกต่างกันไป และในหลายกรณียังใหม่มากจนไม่มีใครทราบด้วยซ้ำว่าเมื่อเวลาผ่านไปจะเป็นอย่างไร ผู้ผลิตหลายรายให้คำมั่นสัญญาแล้วว่าแบตเตอรี่รุ่นใหม่จะมีอายุการใช้งาน "หนึ่งล้านไมล์" (1.6 ล้านกิโลเมตร) ตามรายงานของ Elon Musk เทสลากำลังทำงานกับหนึ่งในนั้น CATL บริษัทสัญชาติจีน ซึ่งจัดหาผลิตภัณฑ์ให้กับ BMW และบริษัทอื่นๆ อีกครึ่งโหล ให้คำมั่นว่าแบตเตอรี่รุ่นต่อไปจะมีอายุการใช้งาน 16 ปี หรือ 2 ล้านกิโลเมตร General Motors และ LG Chem ของเกาหลีก็กำลังพัฒนาโครงการที่คล้ายกันเช่นกัน บริษัทเหล่านี้แต่ละแห่งมีโซลูชันเทคโนโลยีของตนเองที่ต้องการทดลองใช้ในชีวิตจริง ตัวอย่างเช่น GM จะใช้วัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อป้องกันความชื้นไม่ให้เข้าสู่เซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเกิดตะกรันลิเธียมบนแคโทด เทคโนโลยี CATL เพิ่มอะลูมิเนียมให้กับแอโนดนิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีส ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยลดความจำเป็นในการใช้โคบอลต์ ซึ่งปัจจุบันเป็นวัตถุดิบที่มีราคาแพงที่สุดในปัจจุบัน แต่ยังช่วยยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่อีกด้วย อย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่วิศวกรชาวจีนหวังไว้ ผู้มีโอกาสเป็นลูกค้ายินดีที่จะทราบว่าแนวคิดนั้นใช้ได้ผลจริงหรือไม่