อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพิ่มขึ้น 50% ด้วยการชาร์จกระแสสูง
(eurekalert.org)- เมื่อเปลี่ยนเงื่อนไขของ การชาร์จครั้งแรก ซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของการผลิตแบตเตอรี่ อายุการใช้งานเฉลี่ยเพิ่มขึ้น 50% และเวลาชาร์จเริ่มต้นลดลงจาก 10 ชั่วโมงเหลือ 20 นาที
- ขั้นตอนนี้คือกระบวนการ formation ที่สร้าง ชั้นป้องกัน SEI บนผิวขั้วลบ และส่งผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการชาร์จ-คายประจุและอัตราการเสื่อมในภายหลัง
- การวิเคราะห์ แมชชีนเลิร์นนิง เชิงวิทยาศาสตร์ทำให้จำกัดตัวแปรสำคัญของเงื่อนไขการชาร์จครั้งแรกเหลืออุณหภูมิและกระแสไฟ โดยการชาร์จกระแสสูงเพิ่มการทำให้ลิเธียมไม่ทำงานในช่วงเริ่มต้นจากประมาณ 9% เป็นประมาณ 30%
- การสูญเสียลิเธียมช่วงต้นที่มากขึ้นอาจดูเหมือนเป็นข้อเสียในระยะสั้น แต่มีผลช่วยสร้าง พื้นที่เผื่อ ในขั้วบวก ทำให้การทำงานเป็นรอบของอิเล็กโทรดในภายหลังมีประสิทธิภาพมากขึ้น
- แนวปฏิบัติในการผลิตที่นิยมใช้การชาร์จครั้งแรกด้วยกระแสต่ำ อาจถูกทบทวนใหม่ไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพทั้งด้านอายุการใช้งานและ ประสิทธิภาพการผลิต พร้อมกัน
เงื่อนไขการชาร์จครั้งแรกเปลี่ยนอายุการใช้งานและเวลาการผลิต
- การชาร์จครั้งแรก ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นตัวกำหนดว่าแบตเตอรี่จะทำงานได้เสถียรเพียงใดในภายหลัง และจะทนต่อรอบชาร์จ-คายประจุได้กี่รอบก่อนเสื่อม
- นักวิจัยจาก SLAC-Stanford Battery Center ยืนยันในงานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Joule ว่าเมื่อชาร์จแบตเตอรี่ใหม่ครั้งแรกด้วยกระแสไฟที่สูงผิดปกติ อายุการใช้งานเฉลี่ยเพิ่มขึ้น 50%
- ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เวลาชาร์จเริ่มต้นลดลงจากเดิม 10 ชั่วโมงเหลือ 20 นาที
- งานวิจัยนี้นำโดยทีม SLAC/Stanford โดยมีนักวิจัยจาก Toyota Research Institute(TRI), MIT และ University of Washington เข้าร่วม
ขั้นตอน formation ที่สร้างชั้นป้องกัน SEI
- ทีมวิจัยสร้าง pouch cell ที่มีขั้วบวกและขั้วลบล้อมรอบด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เพื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในรอบเริ่มต้น
- เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จ ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบเพื่อกักเก็บ และเมื่อคายประจุจะเคลื่อนกลับไปยังขั้วบวกเพื่อก่อให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอน
- ขั้วบวกของแบตเตอรี่ใหม่ในช่วงแรกจะมีลิเธียมอยู่เต็ม 100% และเมื่อรอบชาร์จ-คายประจุเกิดซ้ำ ลิเธียมบางส่วนจะกลายเป็นไม่ทำงาน
- การสูญเสียลิเธียมในช่วงต้นบางส่วนถูกใช้ไปในการสร้างชั้นอ่อนนุ่มที่เรียกว่า solid electrolyte interphase(SEI) บนผิวขั้วลบ
- SEI ช่วยปกป้องขั้วลบจากปฏิกิริยาข้างเคียง
- ปฏิกิริยาข้างเคียงอาจเร่งการสูญเสียลิเธียมและทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วขึ้น
- การชาร์จครั้งแรกคือขั้นตอน formation ซึ่งเป็นขั้นตอนสุดท้ายของกระบวนการผลิต และหากขั้นตอนนี้ล้มเหลว มูลค่าและความพยายามทั้งหมดที่ใส่ลงไปในแบตเตอรี่ก่อนหน้านั้นก็จะสูญเปล่า
ความต่างระหว่างแนวปฏิบัติกระแสต่ำกับการทดลองกระแสสูง
- โดยทั่วไปผู้ผลิตมักทำ การชาร์จครั้งแรก ของแบตเตอรี่ใหม่ด้วย กระแสต่ำ ตามแนวทางที่เชื่อว่าจะสร้างชั้น SEI ที่แข็งแรงที่สุด
- การชาร์จด้วยกระแสต่ำใช้เวลานาน มีต้นทุนสูง และไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่เหมาะสมที่สุดเสมอไป
- งานวิจัยช่วงหลังแสดงให้เห็นว่าแม้ชาร์จเร็วขึ้นด้วยกระแสสูงกว่า ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่อาจไม่ลดลง และงานวิจัยครั้งนี้ได้วิเคราะห์เหตุผลดังกล่าวลึกลงไปอีก
- ตัวแปรที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของ SEI ในการชาร์จครั้งแรกมีอยู่หลายสิบตัว ทำให้ยากต่อการทดสอบทุกชุดค่าผสมในห้องปฏิบัติการ
ใช้แมชชีนเลิร์นนิงจำกัดตัวแปรสำคัญเหลืออุณหภูมิและกระแส
- ทีมวิจัยใช้ แมชชีนเลิร์นนิง เชิงวิทยาศาสตร์เพื่อค้นหาตัวแปรที่สำคัญที่สุดต่อการได้ผลลัพธ์ที่ดี
- จากตัวแปรจำนวนมาก พบว่า อุณหภูมิ และ กระแสชาร์จ เป็นสองปัจจัยที่มีอิทธิพลสูงเป็นพิเศษ
- การชาร์จครั้งแรกด้วยกระแสสูงให้ผลชัดเจนในการเพิ่มอายุการทดสอบเฉลี่ยของแบตเตอรี่ถึง 50%
- เงื่อนไขกระแสสูงทำให้อัตราการทำให้ลิเธียมไม่ทำงานในช่วงเริ่มต้นเพิ่มจากราว 9% ของวิธีเดิมเป็นประมาณ 30% แต่การเปลี่ยนแปลงนี้กลับนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพ
วิธีที่การสูญเสียช่วงต้นมากขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพภายหลัง
- วิธีทำให้ลิเธียมไอออนไม่ทำงานมากขึ้นในช่วงต้น เปรียบได้กับการตักน้ำบางส่วนออกจากถังที่เต็มก่อนยกไปเคลื่อนย้าย
- เมื่อมีพื้นที่เผื่อในถัง น้ำจะกระฉอกน้อยลงระหว่างการเคลื่อนย้าย เช่นเดียวกัน เมื่อทำให้ลิเธียมไม่ทำงานมากขึ้นระหว่างการก่อตัวของ SEI ก็จะเกิด พื้นที่เผื่อ ในขั้วบวก
- พื้นที่เผื่อนี้ช่วยให้อิเล็กโทรดทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นในรอบถัดไป และช่วยปรับปรุงสมรรถนะในภายหลัง
- นอกเหนือจากการหาว่าเงื่อนไขใดทำให้ได้แบตเตอรี่ที่ดี ยังต้องเข้าใจด้วยว่าเงื่อนไขนั้น ทำงานอย่างไร เพื่อให้นำไปใช้กับกระบวนการผลิตได้ง่ายขึ้น
- ความเข้าใจลักษณะนี้จำเป็นต่อการปรับสมดุลใหม่ระหว่างสมรรถนะแบตเตอรี่และประสิทธิภาพการผลิต
ความเป็นไปได้ในการนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการผลิต
- การผลิตแบตเตอรี่เป็นกระบวนการที่ใช้เงินทุน พลังงาน และเวลาจำนวนมาก และการเริ่มเดินสายการผลิตใหม่ก็ต้องใช้เวลานานเช่นกัน
- อีกทั้งยังมีตัวแปรของกระบวนการจำนวนมาก ทำให้ค้นหาเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุดได้ยาก
- ผลลัพธ์ครั้งนี้นำเสนอแนวทางที่ทำให้สรุปใช้ได้ทั่วไปในการทำความเข้าใจและเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จครั้งแรก ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญของการผลิตแบตเตอรี่
- ฝั่ง TRI ระบุว่า ความรู้ที่ได้จากงานวิจัยนี้อาจมีศักยภาพในการถ่ายโอนไปสู่กระบวนการใหม่ โรงงานใหม่ อุปกรณ์ใหม่ และองค์ประกอบเคมีของแบตเตอรี่แบบใหม่ในอนาคต
- งานวิจัยนี้ได้รับทุนสนับสนุนผ่านโครงการ Accelerated Materials Design and Discovery ของ Toyota Research Institute
1 ความคิดเห็น
ความเห็นจาก Hacker News
จากมุมคนที่เคยทำงานในวงการมาบ้าง ผมค่อนข้างสงสัยงานวิจัยนี้ ถ้ามันจริง งานวิจัยหรือการทดลองก่อนหน้าที่ตั้ง เงื่อนไขการชาร์จเริ่มต้น ต่างกันก็น่าจะเห็นประสิทธิภาพการเสื่อมที่ดีกว่านี้แล้ว ซึ่งผมก็จำได้ว่าเคยเห็นกรณีแบบนั้นอยู่
แถมยังต้องดูด้วยว่า ชั้นรอยต่ออิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ที่หนาขึ้นจะเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ของเซลล์มากแค่ไหน จนไปลดความเร็วในการชาร์จภายหลังและความจุที่ใช้งานได้หรือไม่
สิ่งที่เห็นร่วมกันในเคมีของลิเธียมไอออนและลิเธียมโพลิเมอร์ทั้งหมดคือ ถ้าคายประจุลึกลงไปต่ำกว่า 60% จำนวนรอบชาร์จที่ใช้งานได้จะลดจาก 8000 รอบเหลือต่ำกว่า 2000 รอบ และการคายประจุกระแสสูงหรือการชาร์จเร็วจะเร่งการสูญเสียความจุราว 15% ต่อปี ขณะที่การลัดวงจรจากข้อบกพร่องแบบเดนไดรต์ทำให้เซลล์เสียหายพร้อมกับเพิ่มความต้านทานภายในและอัตราการคายประจุเอง
ถ้าเทคนิคนี้ใช้ได้กับเคมีของเซลล์ทุกแบบก็น่าทึ่งมาก
https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
ประมาณว่า “การเอาลิเธียมไอออนออกให้มากขึ้นในตอนแรกก็เหมือนตักน้ำออกจากถังที่เต็มก่อนยกเดิน พอมีที่ว่างมากขึ้น น้ำก็สาดน้อยลงระหว่างเคลื่อนที่ ในทำนองเดียวกัน การทำให้ลิเธียมไอออนจำนวนมากขึ้นไม่ทำงานระหว่างการก่อตัวของ SEI จะสร้างพื้นที่ว่างเพิ่มในแคโทด ทำให้อิเล็กโทรดหมุนเวียนได้มีประสิทธิภาพขึ้นและให้สมรรถนะภายหลังดีขึ้น” ซึ่งฟังดูไม่ค่อยแน่นเท่าไร
ถ้ามันใช้ได้จริงในขั้นตอนการผลิตด้วย นี่คือการค้นพบที่เจ๋งมาก เท่ากับว่าเป็น ตัวแปรของกระบวนการ ที่ซ่อนอยู่ตรงหน้าเลย
บทความที่บอกว่าทำอะไรง่าย ๆ แล้วช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ได้มากมีออกมาบ่อยพอสมควร แต่แทบไม่ถูกนำไปใช้จริงนอกจากงานเฉพาะทางมาก ๆ
ปกติแล้วเขามักเลือกคงอายุการใช้งานเท่าเดิมแล้วไปเพิ่มความหนาแน่นพลังงานแทน เซลล์ลิเธียมไอออนแรงดันสูง (แรงดันตัดชาร์จเกิน 4.2V) เป็นตัวอย่าง ถ้าชาร์จแค่ถึง 4.2V มันก็น่าจะอยู่ได้นานกว่ารุ่นเก่ามาก แต่ผู้ผลิตมักโฆษณา 4.3V, 4.35V หรือแม้แต่ 4.4V แล้วชูความจุที่เพิ่มขึ้นจากจุดนั้นแทน
สรุปคือ ในกระบวนการ formation charge เริ่มต้นของแบตเตอรี่ ลิเธียมบางส่วนจะถูกทำให้ไม่ทำงานและสร้างชั้นป้องกันนุ่ม ๆ ที่เรียกว่า ชั้นรอยต่ออิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) รอบแอโนด
ปัจจุบันผู้ผลิตมักใช้การชาร์จฟอร์เมชันแบบช้า ซึ่งทำให้ลิเธียมราว 9% หายไปเป็น SEI เดิมเชื่อว่าต้องทำแบบนี้ถึงจะได้ชั้นที่แข็งแรง แต่ในการศึกษานี้ เมื่อใช้กระแสชาร์จเริ่มต้นที่สูงขึ้น 30% กลายเป็น SEI
หมายความว่าเมื่อใช้ลิเธียมปริมาณเท่าเดิม ความจุแบตเตอรี่จะเสียไปเล็กน้อย แต่ชั้นป้องกันอิเล็กโทรดจะหนาขึ้น จึงช่วยให้อายุการใช้งานดีขึ้นในการชาร์จรอบต่อ ๆ ไป
ผมเคยชุบชีวิต แบตเตอรี่ลิเธียม ที่คายประจุมากเกินจนชาร์จไม่เข้า โดยเอาไปต่อกับแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มอยู่ไม่กี่วินาที
พูดตรง ๆ คือ “ลุ้นเอาแบบยอมรับความเสี่ยง”
ถ้าชั้น SEI ที่ดีบนอิเล็กโทรดสำคัญขนาดนั้น จะเคลือบชั้นนี้ลงบนอิเล็กโทรดก่อนประกอบแบตเตอรี่เลยไม่ได้หรือ? แบบนั้นก็น่าจะทำให้รูปทรงของชั้นสม่ำเสมอกว่าได้ด้วย
ผมสับสนว่าอายุแบตเตอรี่หมายถึงอะไรกันแน่ เป็น ความจุที่ลดลง หรือการเสียแบบสุ่ม?
ถ้าการค้นพบนี้ช่วยชะลอความจุเสื่อม แต่เพิ่มโอกาสที่แบตเตอรี่รถ EV จะพังแบบกะทันหันขึ้น 100 เท่า ในเชิงต้นทุนมันก็ไม่ใช่การปรับปรุง อาจโอเคกับอุปกรณ์ผู้บริโภคก็ได้
ถ้าคงการชาร์จ/คายประจุไว้ในช่วง 80/20 อายุแบตเตอรี่จะถูกจำกัดหลัก ๆ ด้วยอายุการเก็บรักษา เช่น ถ้ารักษา Nissan Leaf ให้อยู่ในช่วงสถานะชาร์จ 20~80% มันอาจใช้ได้ถึง 20 ปี แต่ถ้าชาร์จเร็ว DC จนเต็ม 100% ทุกครั้ง ก็มีโอกาสใช้ได้แค่ 2000 รอบ หรือประมาณ 5~7 ปีเท่านั้น
งงนิดหน่อย อันนี้เป็นแค่ การคาดการณ์ หรือว่ามีการพิสูจน์ด้วยการทดลองแล้ว?
จำได้ว่าเคยเห็นงานวิจัยล่าสุดบอกว่า ถ้าเพิ่มกระแสเป็นสองเท่าแต่ชาร์จด้วย คลื่นสี่เหลี่ยมความถี่ 2kHz การเสื่อมของแบตเตอรี่จะหายไปแทบหมด
ปี 2021: การชาร์จแบบพัลส์ความถี่ต่ำ https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
ปี 2024: การชาร์จแบบพัลส์ความถี่สูง https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
ตอนนี้ยังไม่ได้อ่านจริงจัง แต่เป็นสาขาวิจัยที่น่าสนใจมาก
เหมือนกับการที่ไฟฟ้าแรงสูงกัดลายไม้ มันอาจกำลังเผา โครงสร้างจุลภาค ให้เกิดขึ้นเพื่อทำให้การก่อตัวของฟิลาเมนต์มีเสถียรภาพมากขึ้น
สรุปคือกระแสสูงทำให้ชั้นบน แอโนด ก่อตัวแตกต่างออกไปเล็กน้อย และแน่นอนว่าเร็วขึ้น ก่อนหน้านี้เชื่อกันว่าการชาร์จเริ่มต้นแบบช้าจะให้การฟอร์เมชันที่ดีกว่า
นี่ดูจะเป็นการปรับแต่งกระบวนการเพื่อให้ดีขึ้นทีละน้อย มากกว่าจะเป็นการค้นพบเชิงพื้นฐาน
แต่ถ้ามองแบบทฤษฎีสมคบคิด ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหลายเจ้าคงไม่ชอบสิ่งนี้ เพราะความจุแบตเตอรี่ที่ลดลงเป็นแรงผลักดันสำคัญให้ต้องเปลี่ยนเครื่อง
ทุกวันนี้พอผ่านไปสัก 2~3 ปี ก็มักเริ่มสังเกตได้ว่าความจุแบตเตอรี่โทรศัพท์ลดลง ตัวเครื่องเองยังทำงานดี ฟีเจอร์รุ่นใหม่ก็ไม่ได้จำเป็นนัก และก็รู้ว่าเปลี่ยนแบตเตอรี่ได้ แต่ก็มักมีความคิดว่า “ในเมื่อจะเปลี่ยนแบตแล้ว งั้นซื้อเครื่องใหม่เลยดีกว่า”
ถ้าอายุแบตเตอรี่ยาวขึ้น 50% ก็คงแทบไม่มีใครใช้ความจุที่ลดลงเป็นข้ออ้างในการอัปเกรดอีก