เคล็ดลับในการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้อาจอยู่ที่การยอมรับความแตกต่าง แบบจำลองใหม่เกี่ยวกับการเสื่อมสภาพของเซลล์ลิเธียมไอออนในชุดแบตเตอรี่ แสดงให้เห็นถึงวิธีการปรับการชาร์จให้เหมาะสมกับความจุของแต่ละเซลล์ เพื่อให้แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าสามารถรองรับรอบการชาร์จได้มากขึ้นและป้องกันความเสียหายได้

งานวิจัยดังกล่าวได้รับการตีพิมพ์เมื่อวันที่ 5 พฤศจิกายนวารสาร IEEE Transactions on Control Systems Technologyแสดงให้เห็นว่าการจัดการปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลไปยังแต่ละเซลล์ในแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ แทนที่จะจ่ายประจุอย่างสม่ำเสมอ สามารถลดการสึกหรอได้ วิธีนี้ช่วยให้แต่ละเซลล์มีอายุการใช้งานที่ดีที่สุดและยาวนานที่สุด

ศาสตราจารย์ซิโมน่า โอโนริ จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดและผู้เขียนหลักของการศึกษา กล่าวว่า การจำลองเบื้องต้นชี้ให้เห็นว่าแบตเตอรี่ที่จัดการด้วยเทคโนโลยีใหม่นี้สามารถรองรับรอบการชาร์จและการคายประจุได้มากขึ้นอย่างน้อย 20% แม้ว่าจะมีการชาร์จเร็วบ่อยครั้ง ซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่ต้องรับภาระเพิ่มขึ้นก็ตาม

ความพยายามก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่ในการยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า มุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงการออกแบบ วัสดุ และการผลิตเซลล์แต่ละเซลล์ โดยยึดหลักที่ว่า แบตเตอรี่ทั้งชุดจะดีได้ก็ต่อเมื่อเซลล์ที่อ่อนแอที่สุดในชุดนั้นดี เหมือนกับข้อต่อในโซ่ งานวิจัยใหม่นี้เริ่มต้นด้วยความเข้าใจว่า แม้ว่าจุดอ่อนจะเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ – เนื่องมาจากความไม่สมบูรณ์ในการผลิต และเนื่องจากเซลล์บางเซลล์เสื่อมสภาพเร็วกว่าเซลล์อื่นเมื่อสัมผัสกับความเครียด เช่น ความร้อน – แต่ก็ไม่จำเป็นต้องทำให้แบตเตอรี่ทั้งชุดเสียหาย กุญแจสำคัญคือการปรับอัตราการชาร์จให้เหมาะสมกับความจุเฉพาะของแต่ละเซลล์เพื่อป้องกันความเสียหาย

“หากไม่ได้รับการแก้ไขอย่างเหมาะสม ความไม่สม่ำเสมอระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์อาจส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งาน สุขภาพ และความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ และทำให้ชุดแบตเตอรี่ทำงานผิดปกติก่อนกำหนด” โอโนริ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมวิทยาศาสตร์พลังงานแห่งโรงเรียนความยั่งยืนดอร์แห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว “วิธีการของเราจะปรับสมดุลพลังงานในแต่ละเซลล์ของชุดแบตเตอรี่ ทำให้ทุกเซลล์มีระดับประจุไฟฟ้าตามเป้าหมายอย่างสมดุล และช่วยยืดอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่”

แรงบันดาลใจในการสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ถึงหนึ่งล้านไมล์

แรงผลักดันส่วนหนึ่งสำหรับการวิจัยใหม่นี้สืบเนื่องมาจากการประกาศของเทสลา บริษัทรถยนต์ไฟฟ้า ในปี 2020 เกี่ยวกับการพัฒนา “แบตเตอรี่ 1 ล้านไมล์” ซึ่งจะเป็นแบตเตอรี่ที่สามารถจ่ายไฟให้กับรถยนต์ได้ 1 ล้านไมล์ขึ้นไป (ด้วยการชาร์จปกติ) ก่อนที่จะถึงจุดที่เหมือนกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในโทรศัพท์หรือแล็ปท็อปรุ่นเก่า แบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าจะเหลือประจุไม่เพียงพอจนใช้งานไม่ได้

แบตเตอรี่ดังกล่าวจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าระยะเวลารับประกันทั่วไปของผู้ผลิตรถยนต์สำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งอยู่ที่ 8 ปีหรือ 100,000 ไมล์ แม้ว่าโดยปกติแล้วแบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานนานกว่าระยะเวลารับประกัน แต่ความเชื่อมั่นของผู้บริโภคต่อรถยนต์ไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นได้หากการเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่มีราคาแพงนั้นเกิดขึ้นน้อยลง แบตเตอรี่ที่ยังคงเก็บประจุได้หลังจากการชาร์จหลายพันครั้งยังอาจช่วยปูทางไปสู่การใช้พลังงานไฟฟ้าในรถบรรทุกขนส่งระยะไกล และการนำระบบที่เรียกว่า "ระบบเชื่อมต่อรถยนต์กับโครงข่ายไฟฟ้า" มาใช้ ซึ่งแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าจะจัดเก็บและส่งพลังงานหมุนเวียนไปยังโครงข่ายไฟฟ้า

“ต่อมามีการอธิบายว่าแนวคิดแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ถึงล้านไมล์นั้นไม่ใช่เคมีใหม่แต่อย่างใด แต่เป็นเพียงวิธีการใช้งานแบตเตอรี่โดยไม่ต้องใช้พลังงานจนเต็มถัง” โอโนริกล่าว งานวิจัยที่เกี่ยวข้องมุ่งเน้นไปที่เซลล์ลิเธียมไอออนเดี่ยว ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะไม่สูญเสียความจุประจุเร็วเท่ากับแบตเตอรี่แพ็คแบบเต็มถัง

ด้วยความสนใจ โอโนริและนักวิจัยอีกสองคนในห้องแล็บของเธอ ได้แก่ วาฮิด อาซิมิ นักวิจัยหลังปริญญาเอก และอนิรุธ อัลลัม นักศึกษาปริญญาเอก จึงตัดสินใจศึกษาว่าการจัดการแบตเตอรี่ประเภทที่มีอยู่แล้วอย่างสร้างสรรค์ จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด ซึ่งอาจประกอบด้วยเซลล์หลายร้อยหรือหลายพันเซลล์ได้อย่างไร

รุ่นแบตเตอรี่ความเที่ยงตรงสูง

ขั้นตอนแรก นักวิจัยได้สร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงเกี่ยวกับพฤติกรรมของแบตเตอรี่ ซึ่งแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและเคมีที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ในระหว่างอายุการใช้งานได้อย่างถูกต้อง การเปลี่ยนแปลงบางอย่างเกิดขึ้นในเวลาเพียงไม่กี่วินาทีหรือนาที ในขณะที่บางอย่างเกิดขึ้นในเวลาหลายเดือนหรือหลายปี

“เท่าที่เราทราบ ยังไม่มีการศึกษาใดมาก่อนที่ใช้แบบจำลองแบตเตอรี่ที่มีความแม่นยำสูงและครอบคลุมหลายช่วงเวลาแบบที่เราสร้างขึ้น” โอโนริ ผู้อำนวยการห้องปฏิบัติการควบคุมพลังงานแห่งมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดกล่าว

การจำลองด้วยแบบจำลองชี้ให้เห็นว่า ชุดแบตเตอรี่สมัยใหม่สามารถปรับให้เหมาะสมและควบคุมได้โดยการใช้ประโยชน์จากความแตกต่างระหว่างเซลล์ที่เป็นส่วนประกอบ โอโนริและเพื่อนร่วมงานคาดการณ์ว่าแบบจำลองของพวกเขาจะถูกนำไปใช้เป็นแนวทางในการพัฒนาระบบจัดการแบตเตอรี่ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ซึ่งสามารถนำไปปรับใช้กับดีไซน์รถยนต์ที่มีอยู่ได้อย่างง่ายดาย

ไม่ใช่แค่รถยนต์ไฟฟ้าเท่านั้นที่จะได้รับประโยชน์ ออนอริกล่าวว่า แทบทุกแอปพลิเคชันที่ “ใช้งานแบตเตอรี่อย่างหนัก” ก็อาจเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการจัดการที่ดีขึ้นโดยอาศัยผลลัพธ์ใหม่นี้ ตัวอย่างเช่น เครื่องบินคล้ายโดรนที่สามารถขึ้นลงในแนวดิ่งด้วยระบบไฟฟ้า หรือที่เรียกว่า eVTOL ซึ่งผู้ประกอบการบางรายคาดว่าจะนำมาใช้เป็นแท็กซี่ทางอากาศและให้บริการขนส่งทางอากาศในเมืองอื่นๆ ในอีกสิบปีข้างหน้า นอกจากนี้ ยังมีแอปพลิเคชันอื่นๆ สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้อีกมากมาย เช่น การบินทั่วไปและการจัดเก็บพลังงานหมุนเวียนขนาดใหญ่

“แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้เปลี่ยนแปลงโลกไปแล้วในหลายๆ ด้าน” โอโนริกล่าว “เป็นเรื่องสำคัญที่เราจะต้องใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีที่พลิกโฉมโลกนี้และเทคโนโลยีรุ่นต่อๆ ไปให้ได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้”