นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้ผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ชาร์จเต็มภายใน 30 นาทีและใช้งานได้นาน XNUMX ปี แต่เทคโนโลยีที่ได้รับการโฆษณาอย่างมากนี้ยังคงเป็นโซลูชันในระยะไกลสำหรับการเปลี่ยนผ่านด้านพลังงาน
ผู้คนเริ่มหันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า (EV) มากขึ้นเรื่อยๆ แต่การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวยังต้องเร่งขึ้นอีกเพื่อให้โลกบรรลุเป้าหมายการปล่อยมลพิษสุทธิเป็นศูนย์ในปี 2050 แม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าจะมีการพัฒนาอย่างก้าวกระโดด แต่ผู้ขับขี่จำนวนมากยังคงลังเลที่จะละทิ้งความสะดวกสบายของรถยนต์พลังงานน้ำมันของตน นอกจากต้นทุนแล้ว ความกังวลเกี่ยวกับการขาดสถานีชาร์จและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยังถูกระบุว่าเป็นอุปสรรคหลักสำหรับผู้บริโภคในสหรัฐฯ ในการซื้อรถยนต์ไฟฟ้าในการสำรวจของ Ipsos Mori เมื่อปีที่แล้ว สำหรับผู้ผลิตยานยนต์ ปัจจัยส่วนใหญ่เกิดจากข้อจำกัดที่ยังคงมีอยู่เกี่ยวกับระยะทางและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไออน (Li-ion) ที่มีอยู่ในรถยนต์ไฟฟ้า
อย่างไรก็ตาม ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดเชื่อว่าพวกเขาได้ก้าวไปอีกขั้นหนึ่งเพื่อคลี่คลายปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยจากคณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ (SEAS) ได้พัฒนาวิธีการใหม่ "โซลิดสเตต" แบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จได้ภายในเวลาเดียวกับการเติมน้ำมันหนึ่งถัง และทนการชาร์จได้นานกว่าแบตเตอรี่ EV ทั่วไปถึง 3–6 เท่า
แบตเตอรี่โซลิดสเตตถือเป็นเป้าหมายสูงสุดของการเปลี่ยนผ่านสู่ระบบขนส่งที่ใช้ไฟฟ้า และในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การแข่งขันเพื่อนำแบตเตอรี่ดังกล่าวไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้เร่งตัวขึ้น บริษัทอย่างโตโยต้าและโฟล์คสวาเกนกำลังพัฒนาแบตเตอรี่รุ่นของตนเอง และหวังว่าจะนำไปใช้ในยานพาหนะได้ภายในสิ้นทศวรรษนี้ ด้วยแรงผลักดันจากนวัตกรรมล่าสุดนี้จากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด แบตเตอรี่โซลิดสเตตพร้อมที่จะทำหน้าที่ตามกระแสโฆษณาแล้วหรือยัง
ประโยชน์ของอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งมากกว่าแบบของเหลว
ปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับความนิยมอย่างมาก โดยถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์ต่างๆ ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปไปจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงาน นักวิจัยและผู้ผลิตได้ลดราคาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลงถึง 90% ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา และเชื่อว่าจะสามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีราคาถูกกว่านี้ได้ นอกจากนี้ พวกเขายังเชื่อว่าสามารถผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมที่ดีกว่าได้อีกด้วย
แบตเตอรี่เหล่านี้ใช้สารอิเล็กโทรไลต์เหลวในการเคลื่อนย้ายไอออนระหว่างแคโทดและแอโนดเมื่อทำการคายประจุและชาร์จ อย่างไรก็ตาม ของเหลวดังกล่าวสามารถติดไฟได้และป้องกันไม่ให้มีการเพิ่มวัสดุที่ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ นักวิจัยเชื่อว่าวิธีแก้ปัญหาอย่างหนึ่งคือการใช้สารอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งแทนของเหลว
แบตเตอรี่โซลิดสเตตเหล่านี้มีข้อดีหลายประการเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบของเหลว เหนือสิ่งอื่นใด แบตเตอรี่เหล่านี้มีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า ซึ่งหมายความว่าสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นต่อหน่วยปริมาตรหรือน้ำหนัก ส่งผลให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นหรือมีขนาดเล็กลงและเบากว่า นอกจากนี้ แบตเตอรี่เหล่านี้ยังมีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ทนต่อรอบการชาร์จและปล่อยประจุได้มากขึ้นโดยไม่เสื่อมสภาพ จึงทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น การใช้อิเล็กโทรไลต์โซลิดยังช่วยให้ชาร์จได้เร็วขึ้นมากโดยไม่ต้องเสี่ยงต่อความเสียหายของแบตเตอรี่เนื่องจากการขนส่งไอออนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
แบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างกว่าแบตเตอรี่แบบของเหลว ทำให้ใช้งานได้ดีขึ้นในสภาพอากาศที่เลวร้าย โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่โซลิดสเตตถือว่าปลอดภัยกว่า เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งช่วยลดความเสี่ยงของไฟฟ้าลัดวงจรและความร้อนสูงเกินไป ซึ่งอาจนำไปสู่ไฟไหม้หรือการระเบิดในแบตเตอรี่แบบของเหลวได้ สุดท้าย อิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งสามารถผลิตได้จากวัสดุราคาถูกและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมที่หลากหลายยิ่งขึ้น
โดยรวมแล้ว แบตเตอรี่โซลิดสเตตมีศักยภาพที่จะปฏิวัติอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ได้ด้วยการมอบประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และอายุการใช้งานที่ดีขึ้นเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิม “ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่สูง แบตเตอรี่โซลิดสเตตจึงเหมาะสมที่สุดสำหรับรถยนต์ไฟฟ้ามากกว่าระบบกักเก็บพลังงาน [แบบอยู่กับที่] และอาจเป็นปัจจัยสำคัญในการทำให้ระบบขนส่งขนาดใหญ่ใช้พลังงานไฟฟ้าได้จริง” Teo Lombard นักสร้างแบบจำลองพลังงานสำหรับการขนส่งที่สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) กล่าว
“ก้าวกระโดดไปข้างหน้า” ในการออกแบบแบตเตอรี่โซลิดสเตต
นักวิจัย SEAS ได้พัฒนาแบตเตอรี่ขนาดเท่าแสตมป์โดยใช้การออกแบบ "เซลล์แบบซอง" แทนที่จะเป็นแบบ "เซลล์แบบเหรียญ" ทั่วไป แบตเตอรี่นี้สามารถรักษาความจุได้ 80% หลังจากชาร์จ 6,000 รอบ และทำงานได้ดีในอุณหภูมิต่ำ แบตเตอรี่นี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตอื่นๆ เนื่องจากนักวิจัยพบวิธีผลิตแบตเตอรี่นี้โดยใช้ขั้วบวกลิเธียม-เมทัล ซึ่งมีความจุมากกว่าขั้วบวกกราไฟต์ทั่วไปถึง XNUMX เท่า
การออกแบบใหม่แบบหลายชั้นและวัสดุหลายชนิดสามารถเอาชนะปัญหาที่แพร่หลายของ "เดนไดรต์" ได้ ซึ่งเป็นโครงสร้างคล้ายรากที่เติบโตจากพื้นผิวของขั้วบวกไปยังอิเล็กโทรไลต์ โครงสร้างเหล่านี้สามารถเจาะทะลุสิ่งกีดขวางที่แยกขั้วลบที่อยู่ตรงข้าม ส่งผลให้แบตเตอรี่เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและบางครั้งอาจเกิดไฟไหม้ได้
อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นของแบตเตอรี่ ซึ่งเทียบเท่ากับประมาณ 30 ปี อาจช่วยลดต้นทุนของรถยนต์ไฟฟ้าได้อย่างเห็นได้ชัด ในขณะที่ความสามารถในการชาร์จแบตเตอรี่ได้ภายในเวลาไม่กี่นาที ช่วยให้แบตเตอรี่มีความหนาแน่นของพลังงานที่ยอดเยี่ยม ซึ่งสามารถนำไปใช้กับการใช้งานอื่นๆ ได้
“เราสามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้ 5 รอบในเวลา 10-6,000 นาที ซึ่งปกติแล้วแบตเตอรี่ EV จะใช้เวลาหลายชั่วโมงในการชาร์จ และแบตเตอรี่เหล่านี้มีรอบการชาร์จระหว่าง 1,000 ถึง 2,000 รอบ” ซิน ลี่ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์แห่ง SEAS และหัวหน้าคณะนักวิจัยของโครงการกล่าว “การวิจัยของเรายังแสดงให้เห็นว่าคุณสามารถใช้วัสดุอื่นๆ เช่น เงิน แมกนีเซียม หรือซิลิกอน เป็นขั้วบวกได้ ซึ่งถือเป็นก้าวกระโดดครั้งสำคัญในการขยายการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตจำนวนมาก”
“จากห้องทดลองสู่โลกแห่งความเป็นจริง”
อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ทุกคนจะเชื่อ “ความท้าทายในปัจจุบันของแบตเตอรี่โซลิดสเตตคือการนำไปใช้งานและขยายขนาด มากกว่าการคิดค้นสิ่งที่ดีกว่าในระดับเซลล์” ลอมบาร์ดกล่าว
จากมุมมองด้านวิศวกรรม ความท้าทายที่อุตสาหกรรมยังต้องเอาชนะให้ได้คือการผลิตชุดแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่สามารถทนต่อแรงกดดันที่สูงมากได้ ในขณะเดียวกันก็สามารถ "หายใจ" ขยายและหดตัวได้ "วิธีแก้ปัญหานี้อาจขัดขวางการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่โซลิดสเตต ดังนั้น นี่จึงเป็นคำถามที่อุตสาหกรรมต้องตอบในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าผ่านกระบวนการขยายขนาด" ลอมบาร์ดกล่าว
จากมุมมองด้านความปลอดภัย ปัญหาอีกประการหนึ่งที่ผู้ผลิตโซลิดสเตตต้องแก้ไขก็คือ แม้ว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะไม่ติดไฟเมื่อเกิดไฟฟ้าลัดวงจร แต่สารอื่นๆ ในเครื่องยนต์อาจติดไฟได้ “นี่เป็นความท้าทายทางวิศวกรรมอีกครั้งที่จำเป็นต้องได้รับการทดสอบและยืนยันในระดับอุตสาหกรรม” ลอมบาร์ดกล่าว
ในที่สุด ก็มีอุปสรรคสำคัญในการสร้างห่วงโซ่อุปทานสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตต ตามที่ลอมบาร์ดกล่าว ห่วงโซ่อุปทานแบตเตอรี่ต้องใช้วัสดุคุณภาพสูงในปริมาณมาก เนื่องจากแบตเตอรี่ไม่สามารถทำงานได้แม้ว่าจะมีสารปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อยก็ตาม “ต้องใช้เวลาในการสร้างนาน” เขากล่าว “นั่นเป็นเพราะว่าตลาดแบตเตอรี่ที่กว้างขึ้นกำลังเติบโตแบบทวีคูณ ดังนั้น แบตเตอรี่โซลิดสเตตจึงไม่ได้เข้าสู่ตลาดที่คงที่ แต่กลับเป็นตลาดที่เทคโนโลยีทุกอย่าง รวมถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว และคุณจำเป็นต้องเพิ่มพื้นที่ในตลาดนี้”
สำหรับลอมบาร์ด ความสำเร็จของแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะไม่เกิดขึ้นจากความก้าวหน้าทางวิชาการใหม่ๆ – “แม้ว่าการศึกษานี้จะมีความสำคัญ” เขากล่าว – แต่จะเป็นการที่อุตสาหกรรมจะแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่เหลืออยู่และพัฒนาห่วงโซ่อุปทานที่เกี่ยวข้องได้อย่างไร
“แบตเตอรี่โซลิดสเตตมีศักยภาพมากมาย แต่ภาคอุตสาหกรรมจะแก้ปัญหาทางวิศวกรรมเหล่านี้ได้อย่างไร จะเป็นตัวกำหนดว่าแบตเตอรี่เหล่านี้จะเข้ามาครองตลาดแบตเตอรี่ EV ได้หรือไม่ หรือยังคงเป็นการใช้งานเฉพาะสำหรับรถยนต์และรถบรรทุกระยะไกลมาก” เขากล่าว
จากการวิจัยล่าสุดของ Focus ซึ่งเป็นแพลตฟอร์มวิเคราะห์ AI ที่ทำนายความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีโดยอาศัยข้อมูลสิทธิบัตรระดับโลก พบว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตกำลังพัฒนาในอัตรา 31% ต่อปี แม้ว่าจะน่าประทับใจ แต่ปัจจุบันยังไม่เพียงพอที่จะสร้างความปั่นป่วนให้กับผู้ผลิตเดิม โดยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังพัฒนาในอัตราที่ใกล้เคียงกันที่ 30.5%
IEA คาดการณ์ว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะมีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนผ่านสู่การปล่อยคาร์บอนสุทธิเป็นศูนย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการลดการปล่อยคาร์บอนในระบบขนส่งขนาดใหญ่ผ่านการใช้งานต่างๆ เช่น รถบรรทุกไฟฟ้า "แต่สิ่งสำคัญคือเราต้องไม่โอ้อวดอุตสาหกรรมมากเกินไปหรือน้อยเกินไป" ลอมบาร์ดกล่าว เขาคาดการณ์ว่าหากแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถบรรลุศักยภาพได้สำเร็จ ก็คงจะเป็นช่วงปี 2030 "ตอนนี้ จำเป็นต้องย้ายแบตเตอรี่เหล่านี้ออกจากห้องทดลองสู่โลกแห่งความเป็นจริง"
ส่วนหลี่เชื่อว่าจะเกิดราวๆ ปี 2030 ก่อนที่โซลิดสเตตจะกลายเป็นกระแสหลัก “ก่อนหน้านั้น ยังมีอุปสรรคทางเทคนิคอีกมากมายที่ต้องเอาชนะ” เขากล่าว “ความก้าวหน้า [ล่าสุด] ไม่จำเป็นต้องทำให้วันที่ 2030 เกิดขึ้นเร็วขึ้น แต่ทำให้วันที่นั้นเป็นไปได้”
ที่มาจาก เพียงแค่อัตโนมัติ
ข้อสงวนสิทธิ์: ข้อมูลที่ระบุไว้ข้างต้นจัดทำโดย just-auto.com โดยเป็นอิสระจาก Cooig.com Cooig.com ไม่รับรองหรือรับประกันคุณภาพและความน่าเชื่อถือของผู้ขายและผลิตภัณฑ์
