การปฏิวัติเทคโนโลยีการชาร์จ: แบตเตอรี่ลิเธียม-จะสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและอายุการใช้งานได้อย่างไร

ในยุคปัจจุบันของการพัฒนาอย่างแข็งแกร่งของอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่ แบตเตอรี่ลิเธียม-ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานหลัก เผชิญกับความท้าทายที่สำคัญในการสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการชาร์จและอายุการใช้งาน ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นของผู้บริโภคสำหรับระยะการขับขี่ที่ยาวขึ้นและความเร็วในการชาร์จที่เร็วขึ้น รวมถึงการที่ตลาดให้ความสำคัญกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่และความคุ้มค่า-เทคโนโลยีการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม-จึงอยู่ระหว่างการปฏิวัติครั้งใหญ่ วิธีรับประกันประสิทธิภาพสูง-ในการชาร์จพร้อมทั้งยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่กลายเป็นปัญหาเร่งด่วนที่อุตสาหกรรมจำเป็นต้องแก้ไข

I. เทคโนโลยีการชาร์จอย่างรวดเร็ว: แรงผลักดันในการปรับปรุงประสิทธิภาพ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีความก้าวหน้าที่สำคัญในเทคโนโลยีการชาร์จที่รวดเร็วของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน- ดู CATL เป็นตัวอย่าง แบตเตอรี่ชาร์จเร็วพิเศษ "Shenxing" -ได้รับความเร็วชาร์จเร็วพิเศษ-ที่ "การชาร์จ 10- นาทีสำหรับระยะทางขับรถ 400- กิโลเมตร" แม้ในสภาพแวดล้อมที่เย็นที่อุณหภูมิ -10 องศา ก็สามารถชาร์จได้ถึง 80% ของความจุภายใน 30 นาที ในเดือนเมษายน 2024 CATL ได้เปิดตัวแบตเตอรี่ Shenxing PLUS ซึ่งช่วยเพิ่มระยะการขับขี่เป็น 1,000 กิโลเมตร ในขณะที่ยังคงคุณลักษณะการชาร์จที่รวดเร็วเป็นพิเศษ-โดยสามารถชาร์จได้ถึง 60% ของความจุภายใน 10 นาที นอกจากนี้ CATL และ SAIC-GM ยังได้ร่วมมือกันเปิดตัวแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตที่ชาร์จเร็วเป็นพิเศษ 6C ซึ่งมีแผนจะใช้ในสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ไฟฟ้าแรงสูง Ultium quasi-900V ที่ได้รับการอัพเกรดในปี 2568 แบตเตอรี่นี้สามารถชาร์จจนเต็มได้ภายใน 10 นาที และเพิ่มระยะการขับขี่ได้ 200 กิโลเมตรภายใน 5 นาที

ทีมวิจัยที่นำโดยศาสตราจารย์เฉา-หยาง หวางจากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนียก็ประสบความสำเร็จอย่างน่าทึ่งเช่นกัน พวกเขาพบว่าหากสามารถให้ความร้อนแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วถึง 60 องศาก่อนทำการชาร์จ ชาร์จด้วยอัตราเร็วเป็นเวลา 10 นาที จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิแวดล้อม จะสามารถหลีกเลี่ยงการเสื่อมสภาพจากความร้อนของแบตเตอรี่ได้ และสามารถป้องกันการเติบโตที่รุนแรงของฟิล์มโซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟส (SEI) ได้ หลังจากการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำเล่า ทีมงานได้ทำการทดสอบการชาร์จแบบอุณหภูมิคงที่กับแบตเตอรี่กำลังไฟสามประเภทที่ 40 องศา 49 องศา และ 60 องศา โดยใช้การชาร์จที่ 20 องศาเป็นตัวควบคุม จากนั้นจึงแยกชิ้นส่วนแบตเตอรี่เพื่อตรวจสอบการชุบลิเธียม ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าหลังจากการชาร์จเร็วสุดขีด (6C, 4.2V) เป็นเวลา 2,500 รอบที่ 60 องศาเป็นเวลา 10 นาที แบตเตอรี่-พลังงาน-ความหนาแน่นสูงที่มีความจุ 209 Wh/kg ยังคงรักษาความจุได้ 91.7% โดยสูญเสียความจุเพียง 8.3% ซึ่งเกินเป้าหมาย "500 รอบ การสูญเสียกำลังการผลิต 20%" ที่กำหนดโดยกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (DOE) อย่างมาก และไม่มีการสังเกตการชุบลิเธียมในระหว่างกระบวนการชาร์จ

แบรนด์ต่างๆ เช่น XPENG และ NIO ก็ประสบความสำเร็จในด้านการชาร์จที่รวดเร็วเป็นพิเศษ- XPENG เปิดตัวเสาชาร์จเร็วพิเศษ S4 - โดยมีกำลังขับสูงสุด 480 kW และกระแสไฟเอาท์พุตสูงสุด 670 A ระบบนี้สามารถให้ระยะการขับรถ 200- กิโลเมตรสำหรับรถยนต์คันหนึ่งภายใน 5 นาทีของการชาร์จ ตามคำแถลงอย่างเป็นทางการ รุ่น 4C สามารถชาร์จจาก 10% ถึง 80% ในเวลาน้อยกว่า 15 นาที ซึ่งอ้างว่าเป็นความเร็ว-ที่เร็วที่สุดในการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าที่ผลิตในปริมาณมากทั่วโลก นอกจากนี้ รุ่น 3C ยังติดตั้งแพลตฟอร์มไฟฟ้าแรงสูง 800V โดยมีกำลังชาร์จสูงสุดประมาณ 300 กิโลวัตต์ สามารถเพิ่มระยะการขับขี่ได้ 130 กิโลเมตรภายใน 5 นาทีของการชาร์จ และชาร์จจาก 10% เป็น 80% ใน 20 นาที

ครั้งที่สอง ผลกระทบของการชาร์จอย่างรวดเร็วต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่

แม้ว่าเทคโนโลยีการชาร์จอย่างรวดเร็วจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จได้อย่างมาก แต่ก็ไม่สามารถละเลยผลกระทบต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้ ในระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็ว กระแสไฟขนาดใหญ่จะกระตุ้นให้ลิเธียมไอออนฝังเข้าไปในขั้วบวกอย่างรวดเร็ว หากการควบคุมอุณหภูมิไม่เพียงพอ โลหะลิเธียมอาจสะสมบนพื้นผิวแอโนด ก่อตัวเป็นเดนไดรต์ที่อาจเจาะทะลุตัวแยก ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในและเร่งประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ให้ลดลง นอกจากนี้ ความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็ว (หากไม่กระจายไปตามเวลา) สามารถเร่งการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และการเสื่อมสภาพของวัสดุอิเล็กโทรด ส่งผลให้วงจรชีวิตของแบตเตอรี่สั้นลง

การสำรวจพบว่าสำหรับผู้ขับขี่-ผู้ขับรถยนต์ไฟฟ้าล้วนที่มีระยะทางเฉลี่ยต่อวันเกิน 100 กิโลเมตร สัดส่วนการใช้งานของการชาร์จเร็วเป็นพิเศษ-เกิน 70% ระดับสุขภาพของแบตเตอรี่ที่ใช้พลังงานบนบอร์ด-ลดลงจาก 100% สำหรับรถยนต์ใหม่เป็น 85% ภายในสองปี โดยลดลงโดยเฉลี่ย 7.5% ต่อปี อย่างไรก็ตาม การวิจัยล่าสุดโดยทีมงานของศาสตราจารย์ Ouyang Minggao ที่มหาวิทยาลัย Tsinghua เปิดเผยว่าการใช้การชาร์จเร็วพิเศษ{10}}ที่สูงกว่า 120 กิโลวัตต์บ่อยครั้งสามารถลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลงได้ 40% เมื่อเทียบกับการชาร์จที่ช้า

อย่างไรก็ตาม การศึกษาบางชิ้นระบุว่าผลกระทบของการชาร์จอย่างรวดเร็วต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่นั้นไม่ได้เกิดขึ้นแน่นอน การศึกษาการติดตามที่ดำเนินการโดย Recurring Automatic กับ Tesla หลายหมื่นคัน พบว่าความแตกต่างของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ระหว่างการชาร์จแบบเร็วและการชาร์จแบบช้านั้นจริงๆ แล้วไม่มีนัยสำคัญเลย แม้แต่รถยนต์เพื่อการพาณิชย์-ที่เรียกยานพาหนะที่ชาร์จเร็ว- 1-2 ครั้งต่อวัน รอบการเปลี่ยนแบตเตอรี่ก็ยังคล้ายกับรถยนต์ส่วนตัว สาเหตุหลักมาจากระบบควบคุมอุณหภูมิที่มีประสิทธิภาพซึ่งช่วยลดผลกระทบด้านลบของการชาร์จอย่างรวดเร็วได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ที่สาม กลยุทธ์ทางเทคนิคเพื่อสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน

เพื่อค้นหาความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการชาร์จที่รวดเร็วและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ อุตสาหกรรมและองค์กรต่างๆ จึงได้นำกลยุทธ์ทางเทคนิคต่างๆ มาใช้

ในแง่ของนวัตกรรมด้านวัสดุ เทคโนโลยีการชาร์จเร็วพิเศษ-ของ CATL ใช้เทคโนโลยีแคโทดเครือข่ายอิเล็กตรอนพิเศษ- และเทคโนโลยีแอโนดวงแหวนไอออนเร็วกราไฟท์รุ่นที่สอง{2}} ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าและประสิทธิภาพการชาร์จให้ดียิ่งขึ้นไปอีก โครงข่ายอิเล็กตรอนอัลตรา-ซึ่งมีพื้นผิววัสดุที่มีขนาดนาโนเมตรทั้งหมด จะสร้างโครงข่ายอิเล็กตรอนที่เชื่อมต่อกันอย่างดี- ซึ่งช่วยปรับปรุงความเร็วการตอบสนองของวัสดุแคโทดต่อสัญญาณการชาร์จและอัตราการสลายลิเธียมไอออนได้อย่างมาก ชั้นเคลือบที่มีรูพรุนแบบวงแหวนไอออนเร็ว-บนพื้นผิววัสดุแอโนดทำให้มีจุดทำงานมากมายสำหรับการแลกเปลี่ยนลิเธียมไอออน ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วการแลกเปลี่ยนประจุลิเธียมไอออนและอัตราการฝังได้อย่างมาก

ในการออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่ ทีมงานของศาสตราจารย์ Chao-Yang Wang ได้พัฒนาแบตเตอรี่ "ทุก-สภาพอากาศ" พวกเขาใส่ฟอยล์นิกเกิลหนา 50-ไมโครเมตร-เข้าไปในแบตเตอรี่ ซึ่งสามารถ-ทำความร้อนด้วยตนเองได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อกระแสไฟถูกเปิดที่อุณหภูมิต่ำ กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านแผ่นนิเกิลทำให้เกิดความร้อน เมื่ออุณหภูมิภายในแบตเตอรี่เกิน 60 องศา เซ็นเซอร์อุณหภูมิจะถูกกระตุ้นเพื่อปิดกระแสที่ไหลผ่านฟอยล์นิกเกิล แบตเตอรี่นี้สามารถทำความร้อนได้เองถึง 60 องศาภายใน 30 วินาที โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพและอายุการใช้งานที่อุณหภูมิปกติ กระบวนการนี้ไม่ต้องการความช่วยเหลือจากอุปกรณ์ทำความร้อนภายนอก หรือการเติมสารเติมแต่งพิเศษลงในอิเล็กโทรไลต์

ในแง่ของระบบการจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ (BMS) ผู้ผลิตรถยนต์บางรายได้แนะนำ "โหมดป้องกันการชาร์จเร็วเป็นพิเศษ-" เมื่อประจุแบตเตอรี่ต่ำกว่า 20% กำลังชาร์จจะถูกจำกัดไว้ที่ 60 kW เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาความเสียหายของแบตเตอรี่- อื่นๆ นำเทคโนโลยีการทำความร้อนล่วงหน้าของแบตเตอรี่-มาใช้ ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการชาร์จอย่างรวดเร็ว 35% ในสภาพแวดล้อมที่ -10 องศา ในขณะที่ลดอัตราการสลายตัวของแบตเตอรี่ลง 30%

IV. กลยุทธ์การใช้งานของผู้ใช้และแนวโน้มอุตสาหกรรม

สำหรับผู้ใช้ การใช้การชาร์จเร็วอย่างสมเหตุสมผลเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ศาสตราจารย์ Qilu ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการวัสดุและเทคโนโลยีพลังงานใหม่แห่งมหาวิทยาลัยปักกิ่งกล่าวว่าเจ้าของรถควรจำกัดสัดส่วนการใช้งานการชาร์จแบบเร็วพิเศษ-ให้อยู่ภายใน 40% เมื่อเวลาเอื้ออำนวย ควรใช้การชาร์จแบบช้าๆ ให้มากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ควรหลีกเลี่ยงการชาร์จแบบเร็วพิเศษ-เมื่อระดับการชาร์จแบตเตอรี่ต่ำกว่า 10% หรือสูงกว่า 90% เนื่องจากการใช้การชาร์จแบบเร็วพิเศษ-ในช่วงนี้อาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้มากขึ้น

จากมุมมองของอุตสาหกรรม ผ่านนวัตกรรมรูปแบบเชิงพาณิชย์ เช่น การใช้รูปแบบการเช่าซื้อแบตเตอรี่ ผู้ผลิตรถยนต์สามารถเปลี่ยนจาก "การขายผลิตภัณฑ์" เป็น "การขายบริการ" โมเดลการแยกแบตเตอรี่ของยานพาหนะ-สามารถลดความไวของผู้ใช้ต่อการรับประกันแบตเตอรี่ ขณะเดียวกันก็ผลักดันองค์กรต่างๆ ให้ปรับปรุงความสมบูรณ์ของเทคโนโลยีการชาร์จที่รวดเร็ว

ในอนาคต ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการชาร์จที่รวดเร็วและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของแบตเตอรี่ลิเธียม- จะได้รับการปรับให้เหมาะสมยิ่งขึ้น การเกิดขึ้นของวัสดุและเทคโนโลยีใหม่ๆ เช่น แบตเตอรี่แอโนดที่ใช้ซิลิคอน-และแบตเตอรี่โซลิด- คาดว่าจะช่วยแก้ปัญหาอายุการใช้งานที่เกิดจากการชาร์จอย่างรวดเร็วได้ ในเวลาเดียวกัน การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของระบบควบคุมอุณหภูมิอัจฉริยะ การปรับพลังงานแบบไดนามิก และเทคโนโลยีอื่นๆ จะให้การสนับสนุนที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้นสำหรับการปฏิวัติเทคโนโลยีการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

ในการปฏิวัติเทคโนโลยีการชาร์จนี้ แบตเตอรี่ลิเธียม-กำลังค่อยๆ ก้าวไปสู่ความสมดุลที่สมบูรณ์แบบระหว่างประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน อุตสาหกรรมและองค์กรต่างๆ จำเป็นต้องสร้างสรรค์สิ่งใหม่ๆ อย่างต่อเนื่อง และผู้ใช้ยังจำเป็นต้องใช้สิ่งเหล่านั้นอย่างสมเหตุสมผลเพื่อร่วมกันส่งเสริมการพัฒนาที่ยั่งยืนของอุตสาหกรรมยานยนต์พลังงานใหม่