แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้ แบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้ง: ที่ทางแยกของการปฏิวัติพลังงาน

ระหว่างการเตือนการชาร์จรายวันของสมาร์ทวอทช์และอายุการใช้งานที่ยาวนานของแบตเตอรี่รีโมทคอนโทรลนานหลายปีสังคมสมัยใหม่กำลังอยู่ระหว่างการปฏิวัติพลังงานเงียบ จากข้อมูลของสำนักงานพลังงานระหว่างประเทศระบุว่าขนาดตลาดแบตเตอรี่ทั่วโลกสูงกว่า $ 150 พันล้านในปี 2566 โดยมีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จได้ซึ่งคิดเป็น 68% ของส่วนแบ่งการตลาด การแข่งขันระหว่างเส้นทางเทคโนโลยีทั้งสองนี้ไม่ได้เป็นเพียงทางเลือกของผู้ให้บริการพลังงาน แต่ยังสะท้อนให้เห็นถึงการคิดอย่างลึกซึ้งของมนุษยชาติเกี่ยวกับเส้นทางการพัฒนาที่ยั่งยืน

I. การแบ่งพื้นฐานในหลักการทางเทคนิค

‌1.1 การเดินทางของลิเธียมไอออน

ความลึกลับของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้อยู่ในลิเธียมไอออน "แกว่ง" นำแบตเตอรี่ลิเธียมมาเป็นตัวอย่างในระหว่างการชาร์จไอออนลิเธียมไอออนแยกออกจากแคโทดออกไซด์นิกเกิล-แมงกานีส-แมงดาเนีย ในระหว่างการปลดปล่อยพวกเขาจะย้ายกลับเพื่อสร้างกระแส การออกแบบนี้ช่วยให้แบตเตอรี่ 18650 เดียวเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้า 3.7V และความหนาแน่นของพลังงานเกิน 250Wh\/kg เทียบเท่ากับหนึ่งในสามสิบของน้ำหนักของน้ำมันเบนซิน การเกิดขึ้นของแบตเตอรี่โซลิดสเตตซึ่งใช้อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์เพื่อแทนที่ของเหลวไวไฟเพิ่มอุณหภูมิที่เริ่มมีอาการของความร้อนจาก 120 องศาเป็น 400 องศา

‌1.2 ปฏิกิริยาเคมีทางเดียว 

สาระสำคัญของแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งอยู่ในปฏิกิริยาเคมีที่ควบคุมอย่างระมัดระวัง ในแบตเตอรี่อัลคาไลน์ผงสังกะสีทำปฏิกิริยากับแมงกานีสไดออกไซด์ในอิเล็กโทรไลต์โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ผ่านการลดออกซิเดชันทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่เสถียร 1.5V โครงสร้างที่ปิดสนิททำให้ปฏิกิริยากลับไม่ได้สิ้นสุดลงเมื่อเปลือกสังกะสีถูกสึกกร่อนอย่างเต็มที่หรือแมงกานีสไดออกไซด์จะหมดลง แบตเตอรี่ที่ใช้แล้วทิ้งของลิเธียม-ไทโอนีลคลอไรด์แสดงประสิทธิภาพที่น่าอัศจรรย์: ด้วยความหนาแน่นของพลังงาน 650wh\/kg พวกเขาสามารถทำงานในสภาพแวดล้อมตั้งแต่ {-55 องศาถึง 150 องศาและพวกเขาสูญเสียค่าใช้จ่ายเพียง 5% ของระยะเวลาการจัดเก็บ 30- ปี

ii. การแข่งขันที่ครอบคลุมของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ

‌2.1 ความขัดแย้งของความหนาแน่นพลังงาน

เห็นได้ชัดว่าข้อมูลที่ขัดแย้งกันเผยให้เห็นสาระสำคัญของเทคโนโลยี: ในขณะที่ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไทโอไทมี่คลอไรด์แบบใช้ครั้งเดียวคือ 2.6 เท่าของแบตเตอรี่ลิเธียมแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้จะปล่อยพลังงานเทียบเท่า 1300% ตลอดอายุการใช้งานทั้งหมด (500 รอบ) สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมสมาร์ทโฟนจึงเลือกแบตเตอรี่ลิเธียมในขณะที่เครื่องกระตุ้นหัวใจยืนยันในแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้แล้วทิ้ง-อดีตต้องการการจัดหาพลังงานอย่างต่อเนื่องในขณะที่หลังจัดลำดับความสำคัญความน่าเชื่อถือสัมบูรณ์

‌2.2 การประกวดชั่วคราว

ในการทดสอบวัฏจักรชีวิตแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตยังคงความจุ 80% หลังจากรอบการปล่อยประจุ 2,000 รอบที่ 25 องศาในขณะที่แบตเตอรี่ไฮไดรด์นิกเกิล-โลหะมีความจุลดลงถึง 60% หลังจาก 500 รอบ ในทางตรงกันข้ามแบตเตอรี่อัลคาไลน์ที่ยังไม่ได้เปิดมีอัตราการสูญเสียตนเองประมาณ 2% ต่อปีในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมมีอัตรา 5-10% สิ่งนี้สร้างปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ: อุปกรณ์ที่ไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานานเหมาะสำหรับแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วทิ้งในขณะที่ผู้ใช้งานบ่อยต้องเลือกตัวเลือกที่ชาร์จไฟได้

‌2.3 มาตรฐานความปลอดภัยคู่

ในการทดลองเจาะการเจาะแบตเตอรี่ลิเธียมที่ชาร์จเต็มสามารถร้อนได้ถึง 8 0 0 องศาภายในสามนาทีกระตุ้นการทำงานด้วยความร้อนในขณะที่แบตเตอรี่อัลคาไลน์จะได้รับการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์เท่านั้น อย่างไรก็ตามในการใช้งานจริงชุดแบตเตอรี่ลิเธียมใช้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) เพื่อรักษาอัตราความล้มเหลวต่ำกว่า 0.001 ‰ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ใช้แล้วทิ้งทำให้เกิด 2, 000 เหตุฉุกเฉินในเด็กทุกปีเนื่องจากการกลืนกิน ความปลอดภัยไม่เคยเป็นข้อเสนอที่แน่นอน แต่เป็นความสมดุลในวิศวกรรมระบบ

iii. บัญชีแยกประเภทที่ซ่อนอยู่ของเศรษฐศาสตร์และสิ่งแวดล้อม

‌3.1 การคำนวณการคำนวณต้นทุนชั่วคราว

ในช่วงสิบปีที่ผ่านมาค่าใช้จ่ายทั้งหมดของการแก้ปัญหาแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับการควบคุมระยะไกลเป็นเพียงหนึ่งในเจ็ดของแบตเตอรี่อัลคาไลน์ เอฟเฟกต์ระยะเวลานี้เด่นชัดยิ่งขึ้นในภาคยานพาหนะไฟฟ้า: แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมคิดเป็น 40% ของต้นทุนยานพาหนะทั้งหมดค่าไฟฟ้าต่อกิโลเมตร 75% น้อยกว่ายานพาหนะน้ำมันเบนซิน

‌3.2 ผลของผีเสื้อของรอยเท้าคาร์บอน

การวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์แสดงให้เห็นว่าการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม 1kWh สร้างคาร์บอนไดออกไซด์ 110 กิโลกรัมในขณะที่พลังงานเทียบเท่าจากแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วทิ้งจะปล่อย CO2 280 กิโลกรัม อย่างไรก็ตามเมื่อคำนึงถึงการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมสามารถลดปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้อีก 60% ผ่านการใช้งานรอง ภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกที่แท้จริงอยู่ในความจริงที่ว่ามีเพียง 32% ของแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วโลกเข้าสู่ช่องทางรีไซเคิลอย่างเป็นทางการในขณะที่อัตราการรีไซเคิลสำหรับแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งน้อยกว่า 5% ส่งผลให้ 120, 000 ตันของโลหะหนักที่ไหลลงสู่ดินเป็นประจำทุกปี

iv. กฎการอยู่รอดของสถานการณ์แอปพลิเคชัน

‌4.1 พื้นที่ที่ไม่สามารถถูกแทนที่ได้สำหรับแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้ง

ในสถานีอวกาศ 400 กิโลเมตรเหนือแผ่นดินโลกแบตเตอรี่ลิเธียม-ไธโอนีลคลอไรด์เป็นแหล่งพลังงานฉุกเฉินที่ต้องการเนื่องจากลักษณะการบำรุงรักษาที่ไม่เป็นศูนย์ ในเครื่องกระตุ้นหัวใจที่ฝังได้แบตเตอรี่ที่ใช้แล้วทิ้งจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟที่เสถียรเป็นเวลาสิบปี และในแคปซูลกู้ภัยของฉันความเสี่ยงการชาร์จใด ๆ เป็นสิ่งต้องห้ามอย่างแน่นอน ตรรกะทั่วไปในสถานการณ์เหล่านี้คือค่าใช้จ่ายของชีวิตอยู่ไกลเกินดุลค่าพลังงาน

‌4.2 ขอบเขตการขยายตัวของแบตเตอรี่ลิเธียม

เมื่ออุปกรณ์สมาร์ทโฮมจำเป็นต้องส่งข้อมูล 120 ครั้งต่อวันเมื่อโดรนเกษตรต้องทำงานอย่างต่อเนื่องเป็นเวลาสี่ชั่วโมงในสนามและเมื่อโรงไฟฟ้าเสมือนจริงต้องเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่ผันผวนธรรมชาติของแบตเตอรี่ลิเธียม ระบบจัดเก็บพลังงานบ้าน Powerwall ของ Tesla ผ่าน 5000 รอบสามารถลดค่าไฟฟ้าในครัวเรือนได้ 40%ซึ่งเป็นแบบจำลองทางเศรษฐกิจที่อุปกรณ์ปล่อยทางเดียวไม่สามารถจับคู่ได้

V. ตัวแปรก่อกวนในเส้นทางการแข่งขันในอนาคต

เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตคาดว่าจะประสบความสำเร็จในการผลิตจำนวนมากภายในปี 2573 โดยมีความหนาแน่นพลังงานเกิน 500wh\/kg และวงจรชีวิตที่เกิน 10, 000 รอบ การเปลี่ยนแปลงที่ปฏิวัติวงการมากยิ่งขึ้นเกิดขึ้นจาก Bio-Batteries: เซลล์เชื้อเพลิงน้ำตาลที่พัฒนาโดย Harvard University ซึ่งใช้ปฏิกิริยาของเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาระหว่างกลูโคสและออกซิเจนได้รับการจัดหาไมโครกระแสไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 30 วันในการทดลองสัตว์ การทำให้เป็นที่นิยมของเทคโนโลยีการชาร์จแบบไร้สายมีศักยภาพในการสร้างระบบนิเวศพลังงาน-เมื่อทุกที่นั่งในอาคารสำนักงานสามารถขับเคลื่อนได้แบบไร้สายแบตเตอรี่จะไม่ให้บริการเป็นเพียงภาชนะบรรจุพลังงานอีกต่อไป แต่เป็นสื่อการส่งผ่าน

ในการปฏิวัติพลังงานที่เงียบสงบนี้มนุษยชาติยืนอยู่ในแหล่งลุ่มน้ำในทางเลือก: เราควรดำเนินการตรรกะการบริโภคในศตวรรษที่ 20 ต่อไปด้วยแบตเตอรี่แบบใช้แล้วทิ้งหรือเราควรสร้างอารยธรรมพลังงานใหม่ด้วยระบบรีไซเคิลได้หรือไม่? คำตอบอาจอยู่ในการทดลองล่าสุดที่ดำเนินการโดย Yuasa Corporation ในญี่ปุ่น-พวกเขากำลังให้พลังงานแก่โรงงานทั้งหมดด้วยแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ารีไซเคิลในขณะที่สายการประกอบมีการผลิตแบตเตอรี่ชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพรุ่นใหม่

‌