วิธีสร้างแบตเตอรี่ให้ดีขึ้น

วิธีสร้างแบตเตอรี่ให้ดีขึ้น

เรื่องราวนี้เป็นส่วนหนึ่งของชุด Tech Support ของ Recode by Vox ซึ่งสำรวจวิธีแก้ปัญหาสำหรับโลกร้อนของเรา

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับผู้บริโภคเปิดตัวในปี 1990 ถือเป็นการปฏิวัติ: ชาร์จแบตเตอรี่ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงหรือน้อยกว่านั้น และทำให้คอมพิวเตอร์และโทรศัพท์สมัยใหม่ของเราพกพาได้อย่างแท้จริง แต่สามทศวรรษต่อมา เทคโนโลยีแบตเตอรี่นี้มีกำหนดการอัพเกรดครั้งใหญ่ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เกิดขึ้นจริงทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่จำเป็นต้องจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ของเราเท่านั้น แต่รถยนต์ของเราก็เช่นกัน มันยากกว่ามาก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกลายเป็นรูปแบบการจัดเก็บพลังงานที่ลงตัว เพราะมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก ซึ่งหมายความว่าสามารถเก็บพลังงานได้มากภายในปริมาตรที่ค่อนข้างเล็ก ลิเธียมเองเป็นโลหะที่เบาที่สุดในตารางธาตุ ซึ่งทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพกพาสะดวกเป็นพิเศษ เนื่องจากเทคโนโลยีนี้ถูกรวมเข้ากับรถยนต์ไฟฟ้า (EV) แบตเตอรี่เหล่านี้จึงถูกผลักดันให้ถึงขีดจำกัด

สามารถชาร์จและคายประจุได้หลายครั้งเท่านั้น

 และเราอาจใช้ความจุเกินขีดจำกัดสูงสุดแล้ว นี่เป็นหนึ่งในข้อกังวลที่ใหญ่ที่สุดที่ผู้คนมีกับ EV เนื่องจากความจุที่มากขึ้นเท่ากับระยะการขับขี่ที่ยาวขึ้น แบตเตอรี่ยังใช้พื้นที่จำนวนมากในรถยนต์ที่เรามีอยู่แล้ว ซึ่งหมายความว่าเราไม่สามารถเพิ่มแบตเตอรี่เพื่อเพิ่มระยะทางให้มากขึ้นได้

จินและผู้หญิงมองเข้าไปในกล้อง

ดังนั้น หากการปฏิวัติ EV นี้จะประสบความสำเร็จ แบตเตอรี่จะต้องดีขึ้น พวกเขาต้องไปได้ไกลยิ่งขึ้นด้วยการชาร์จครั้งเดียว และต้องมีน้ำหนักน้อยลง แบตเตอรี่ EV ยังต้องมีแนวโน้มที่จะลุกเป็นไฟน้อยลง ซึ่งเป็นปัญหาที่หายากแต่น่าเป็นห่วงมาก (รถยนต์ที่ใช้น้ำมันและไฮบริดมีความเสี่ยงจากไฟไหม้ด้วย) เมื่อเร็วๆ นี้ Chevy ต้องเรียกคืน Chevy Bolt ทุกคันที่เคยขายเนื่องจากความเสี่ยงจากไฟไหม้แบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในรถยนต์ในปัจจุบันอาจได้รับประโยชน์จากส่วนประกอบพื้นฐานใหม่เช่นกัน ปัจจุบันทำจากวัสดุที่หายาก เช่น โคบอลต์และนิกเกิล ซึ่งมีราคาแพงขึ้นเรื่อยๆ การขาดแคลนวัสดุเหล่านี้ในที่สุดอาจฉุดการผลิต EV ทั่วทั้งอุตสาหกรรมยานยนต์ และ RJ Scaringe ซีอีโอของ Rivian ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้า เตือนเมื่อเร็วๆ นี้ว่า โลกผลิตเซลล์แบตเตอรี่ EV ได้เพียง 10 เปอร์เซ็นต์เท่านั้นที่จะต้องผลิต ทศวรรษต่อจากนี้

การแข่งขันเพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้กำลังเร่งขึ้น ผู้ผลิตแบตเตอรี่ที่มีมาอย่างยาวนาน เช่น CATL และ LG Energy Solution กำลังทบทวนเคมีพื้นฐานของแบตเตอรี่เพื่อให้ทำงานได้ดีขึ้นในรถยนต์ไฟฟ้า ในขณะเดียวกัน Ford และ GM กำลังลงทุนในการวิจัยแบตเตอรี่ใหม่ โดยหวังว่าจะได้เปรียบเหนือ Tesla แม้แต่รัฐบาลเองก็มีส่วนพัวพัน: ในเดือนมีนาคม ประธานาธิบดีโจ ไบเดน ได้ใช้กฎหมายว่าด้วยการผลิตเพื่อการป้องกันประเทศ ซึ่งเป็นกฎหมายในปี 1950 ที่อนุญาตให้ประธานาธิบดีเพิ่มการผลิตผลิตภัณฑ์บางอย่างในประเทศในกรณีฉุกเฉิน เพื่อเพิ่มอุปทานโลหะหายากและวัสดุที่ใช้ในประเทศ EV

ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่ดีและดี แต่เวลาเป็นสิ่งสำคัญ การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศกำลังเร่งขึ้นเท่านั้น และรถยนต์ใหม่ทุกคันที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลก็จะทำให้ภัยคุกคามรุนแรงขึ้น โชคดีที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ดีกว่าไม่ได้อยู่แค่การพัฒนาเท่านั้น มันเริ่มออกสู่ตลาดแล้ว

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอธิบาย

EV ไม่ได้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ขนาดใหญ่เพียงก้อนเดียว แต่เป็นเซลล์ขนาดเล็กกว่าหลายพันเซลล์ แต่ละเซลล์มีองค์ประกอบหลักสี่อย่างที่ประกอบเป็นแบตเตอรี่: แอโนด แคโทด ตัวแยก และอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมักจะเป็นของเหลว ในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์อย่างเช่น รถยนต์ อะตอมหรือโมเลกุลที่มีประจุที่เรียกว่าไอออนจะเคลื่อนที่จากแอโนดไปยังแคโทดผ่านอิเล็กโทรไลต์ โดยจะปล่อยอิเล็กตรอนพิเศษออกมาตลอดทางและผลิตกระแสไฟฟ้า ในการชาร์จแบตเตอรี่ สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้น: อิเล็กตรอนจะไหลเข้าสู่แบตเตอรี่ และไอออนจะไหลกลับจากแคโทดไปยังแอโนด ทำให้เกิดพลังงานศักย์ที่แบตเตอรี่สามารถปลดปล่อยออกมาได้ในภายหลัง

ในกรณีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ไอออนเหล่านี้เป็นไอออนลิเธียมโดยธรรมชาติ Sony ขายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเครื่องแรกเพื่อจ่ายไฟให้กับกล้องวิดีโอ และในไม่ช้าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ก็แพร่หลายสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ส่วนหนึ่งเนื่องจากปัจจุบันมีจำหน่ายกันอย่างแพร่หลาย ผู้ผลิตรถยนต์จึงหันมาใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าของตน ในการทำเช่นนี้ พวกเขามักจะบรรจุเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลายสิบเซลล์ไว้ในเกราะป้องกันขนาดใหญ่ที่เรียกว่าโมดูล จากนั้นโมดูลเหล่านี้จะถูกประกอบเป็นก้อนแบตเตอรี่ที่ใหญ่ขึ้นกว่าเดิม ซึ่งให้พลังงานแก่ EV

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นไม่สมบูรณ์แบบสำหรับ EVs อย่างแน่นอน นอกเหนือจากความเสี่ยงที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นแต่แท้จริงที่จะลุกเป็นไฟ รถยนต์ไฟฟ้าโดยเฉลี่ยมีระยะทาง 260 ไมล์ นั่นก็เพียงพอแล้วสำหรับการเดินทางแบบวันต่อวัน แต่ทำให้ผู้ขับขี่จำนวนมากกังวลเกี่ยวกับการทัศนศึกษาระยะยาว

ลิเธียมเองก็มีปัญหาเช่นกัน การขุดลิเธียมไม่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเป็นพิเศษ และตอนนี้โลกไม่มีเหมืองลิเธียมเพียงพอที่จะจัดหาวัสดุเพียงพอสำหรับจำนวนแบตเตอรี่ EV ที่เราอาจต้องการ นอกจากนี้ยังมีความกังวลมากขึ้นกับโลหะอื่นๆ ที่ใช้กันทั่วไปในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กล่าวคือ โคบอลต์ ซึ่งส่วนใหญ่สกัดในสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโกและ

มีความเชื่อมโยงกับปัญหาแรงงานเด็กและสิทธิมนุษยชน

วัสดุใหม่

วิธีที่ค่อนข้างตรงไปตรงมาในการสร้างแบตเตอรี่ที่ดีกว่าคือการรวมวัสดุต่างๆ เข้ากับเทคโนโลยีลิเธียมไอออนทั่วไป วัสดุใหม่มาพร้อมกับข้อดีและข้อเสียของตัวเอง และการผสมผสานบางอย่างอาจดีกว่าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้ามากกว่าวัสดุอื่นๆ

หนึ่งในชุดค่าผสมเหล่านี้เรียกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตซึ่งรวมวัสดุที่มีราคาต่ำกว่าไว้ในแคโทดของแบตเตอรี่ แม้ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้จะไม่สามารถบรรจุพลังงานได้มากเท่ากับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอื่น ๆ แต่ก็ช่วยให้ผู้ผลิตรถยนต์สามารถสร้างแบตเตอรี่ได้มากขึ้นด้วยเงินที่น้อยลง ดังนั้นจึงให้ EV มากขึ้นในราคาที่ต่ำกว่า แบตเตอรี่ลิเธียมโซเดียมฟอสเฟตมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในประเทศจีนและเทสลาประกาศเมื่อฤดูใบไม้ร่วงปีที่แล้วว่าจะเริ่มใช้สารเคมีนี้ในรถยนต์ช่วงมาตรฐาน

อีกวิธีหนึ่งเปลี่ยนวัสดุในขั้วบวกของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจำนวนมากในปัจจุบันมีแอโนดที่ทำด้วยกราไฟท์เนื่องจากราคาค่อนข้างถูกและใช้งานได้ยาวนาน แต่บริษัทสตาร์ทอัพจำนวนหนึ่งกลับใช้ซิลิคอนแทน ซึ่งเป็นสิ่งเดียวกันกับที่ใช้ทำชิปคอมพิวเตอร์ แบตเตอรี่ที่มีซิลิกอนแอโนดสามารถเก็บประจุได้มากถึง 10 เท่าของแอโนดที่ทำจากกราไฟต์ และเพิ่มความจุพลังงานโดยรวมของแบตเตอรี่ บริษัทต่างๆ เช่น Sila Nanotechnologies, NEO Battery Materials และ Enovix กำลังปรับปรุงการออกแบบของพวกเขาให้สมบูรณ์แบบ

ความคิดที่มั่นคง

ตามชื่อของมัน แบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์แบบเดิม วัสดุที่เป็นของแข็งนี้ไม่ใช่บล็อกขนาดยักษ์ แต่เป็นชั้นของวัสดุเช่นแก้วหรือเซรามิก อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีขนาดกะทัดรัดกว่า ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตอาจมีขนาดเล็กลงและเก็บพลังงานได้มากกว่า ข้อดีอีกประการหนึ่งคืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไม่ติดไฟเหมือนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป และยังไม่ต้องการโครงสร้างพื้นฐานการทำความเย็นแบบเดียวกัน

แบตเตอรี่โซลิดสเตตยังคงเผชิญกับสิ่งกีดขวางบนถนนจริง มีราคาแพงและยากต่อการผลิตจำนวนมาก ดังนั้นจึงได้แสดงให้เห็นในห้องปฏิบัติการเป็นหลักจนถึงขณะนี้ ความท้าทายอีกประการหนึ่งคือการออกแบบแบตเตอรี่โซลิดสเตตจำนวนมากมีขั้วบวกที่ทำจากโลหะลิเธียมแทนที่จะเป็นกราไฟท์ โลหะลิเธียมนี้บางครั้งก่อตัวเป็นเดนไดรต์ ซึ่งเป็นกิ่งก้านของโลหะที่รั่วจากแอโนดและเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่โซลิดสเตตแตกและลัดวงจร

นั่นไม่ได้ทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้เป็นทางตัน พวกเขาได้รวมเข้ากับเครื่องกระตุ้นหัวใจ ต้นแบบหูฟัง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ แล้ว และตอนนี้บริษัทยักษ์ใหญ่ด้านยานยนต์ก็กำลังค้นคว้าวิธีปรับเทคโนโลยีเพื่อให้พวกเขาสามารถทำงานในรถยนต์ได้ในที่สุด มีสัญญาณความคืบหน้าที่ชัดเจนอยู่แล้ว: Volkswagen, Ford และ Stellantis ต่างก็ลงทุนในเทคโนโลยีนี้ โตโยต้าวางแผนที่จะเปิดตัวรถยนต์ไฮบริดที่ใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตภายในปี 2568 และนิสสันหวังว่าจะเปิดตัวรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตภายในปี 2571 บริษัทอีกแห่งหนึ่งที่ชื่อ QuantumScape ได้แบ่งปันงานวิจัยที่บอกว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถทำงานได้ — และชาร์จได้เร็วกว่าแบตเตอรี่อื่นๆ เมื่อรวมกับแนวคิดอื่น นั่นคือ แบตเตอรี่ที่ไม่ต้องการขั้วบวกเลย

แบตเตอรี่รูปรถ

ในที่สุด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจดูไม่เหมือนแบตเตอรี่เลย พวกเขาอาจกลายเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่พวกเขากำลังขับเคลื่อน นั่นคือแนวคิดเบื้องหลังแบตเตอรี่โครงสร้าง ซึ่งจะมีแบตเตอรี่เป็นสองเท่าในฐานะส่วนหนึ่งของยานพาหนะ เช่น ตัวรถหรือลำตัวเครื่องบิน

สิ่งนี้สามารถจัดการกับความท้าทายขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับแบตเตอรี่ ซึ่งก็คือแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่และหนักอย่างเหลือเชื่อ การอนุญาตให้ชิ้นส่วนรถยนต์ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานในทางทฤษฎีสามารถลดขนาดโดยรวมของ EV ได้ นอกจากนี้ยังอาจหมายถึงการใช้วัตถุดิบโดยรวมน้อยลง

แนวคิดนี้ค่อยๆ ถูกนำไปใช้ในรถยนต์ที่มีอยู่แล้วบนท้องถนน เทสลาได้ออกแบบแบตเตอรีโครงสร้างใหม่ที่จะติดเข้ากับเบาะที่นั่งภายในรถยนต์รุ่น Y โดยตรง ในทำนองเดียวกัน วอลโว่มีแผนที่จะลดปริมาณการใช้แบตเตอรี่โดยการออกแบบให้รองรับพื้นรถด้วย และจีเอ็มก็ได้เปิดตัว EV ที่ใช้แบตเตอรี่เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับแชสซีของรถแล้ว สิ่งเหล่านี้อาจฟังดูเหมือนการปรับเปลี่ยนเล็กน้อยในตอนนี้ แต่พวกเขาสามารถปูทางไปสู่รถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเฟรมของตัวเองทั้งหมด และอาจรวมถึงเครื่องบินด้วย

แบตเตอรีบูมใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ

การจ่ายพลังงานให้กับรถยนต์จะเป็นงานที่ยากลำบากสำหรับแบตเตอรี่ แต่จะไม่ใช่เครื่องเดียว เพื่อเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เราจำเป็นต้องใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม แต่เนื่องจากดวงอาทิตย์และลมไม่ได้อยู่รอบๆ ตลอดเวลาเมื่อเราต้องการพลังงาน เราจึงต้องเก็บพลังงานที่พวกมันให้มาเมื่อเราต้องการ นั่นหมายความว่าบ้าน เมือง และแม้แต่โครงข่ายไฟฟ้าของเราต้องการแบตเตอรี่ ซึ่งมีขนาดใหญ่มากจริงๆ

แบตเตอรี่เหล่านี้ไม่จำเป็นต้องมีความต้องการเหมือนกับแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ที่เราใช้สำหรับรถยนต์ไม่มีข้อกำหนดเดียวกันกับแบตเตอรี่ที่จ่ายไฟให้กับโทรศัพท์ของเรา หลังจากอัล

credit : e29baseball.com ekoproducent.com footballshop2012.com footballtitansfanatics.com funtimedepot.com gucciusashop.com handbags-manufacturers.com helenandjames.com hermeticuniversityonline.com