แบตเตอรี่ที่เป็นโครงสร้างหลักเครื่องจักรกล พัฒนาการครั้งใหญ่

Structural Batteries: Massless Energy Storage

“….รัฐบาล องค์กรการค้า และภาคเอกชนทั่วโลก ต่างเริ่มวิตกกังวลเล็กน้อย และตื่นเต้นกับโอกาสที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังจะเข้ามาแทนที่ยานยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงฟอสซิลในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า…”

แบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Batteries เป็นเซลล์ไฟฟ้าที่ใช้วัสดุ หรือโครงสร้างแบบมัลติฟังก์ชั่น Multifunctional Materials or Structures ด้วยแนวคิด Multifunctional Energy Storage : MES Composites Concept .. มันสามารถทำหน้าที่เป็นระบบจัดเก็บพลังงานเคมีไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ ในขณะที่มันมีความคงทนแข็งแกร่งเพียงพอที่จะทำตัวเองเป็นโครงสร้างหลักของเครื่องจักรกล เช่น ยานยนต์ไฟฟ้า รถบรรทุก รถประจำทาง เรือ หรืออากาศยาน ในระบบขนส่งได้ไปพร้อมด้วย ..

เนื่องจากตัวชุดแบตเตอรี่รูปแบบดังกล่าว เป็นได้มากกว่าที่มันเคยเป็น .. มันสามารถทำหน้าที่เป็นตัวโครงสร้างหลักด้วย มันจึงช่วยลดน้ำหนักส่วนเกิน ทำให้ความหนาแน่นของพลังงาน Energy Density ทั่วทั้งระบบเพิ่มขึ้น และมีประโยชน์สำหรับการใช้งานบน Platform ต่าง ๆ ได้หลากหลาย เช่น ยานยนต์ไฟฟ้า เครื่องบิน และอากาศยานไร้คนขับ .. ทั้งนี้ โดยทั่วไปสามารถจำแนกแบตเตอรี่โครงสร้างได้สองประเภทหลัก ได้แก่ แบตเตอรี่แบบฝัง Embedded Batteries และอิเล็กโทรดโครงสร้างแบบเคลือบ Laminated Structural Electrodes ..

แบตเตอรี่แบบฝังในตัว Embedded Batteries แสดงถึงโครงสร้างมัลติฟังก์ชั่นที่เซลล์แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium – Ion Battery Cells ถูกฝังลงในโครงสร้างคอมโพสิต Composite Structure อย่างมีประสิทธิภาพ และมักจะเป็นโครงสร้างแบบแซนวิช .. ทั้งนี้ ในการออกแบบรูปแบบแซนวิชนั้น แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนจะถูกฝังไว้เป็นวัสดุโครงสร้างหลัก และเชื่อมติดไว้ระหว่างแผ่นปิดหน้าบางที่แข็งแรง 2 แผ่น เช่น อะลูมิเนียมโหลดในระนาบ และพื้นที่ดัดงอ ซึ่งมันจะถูกยึดแน่นด้วยด้วยการประกบเหมือนแซนวิชของแผ่นปิดหน้า ในขณะที่แกนแบตเตอรี่จะรองรับแรงเฉือนตามขวาง และแรงอัด เช่นเดียวกับโครงสร้างหลัก และทำหน้าที่กักเก็บพลังงานไฟฟ้าไปพร้อมด้วย .. โครงสร้างแบบมัลติฟังก์ชั่นนี้นั้น สามารถใช้เป็นวัสดุรองรับน้ำหนัก และวัสดุกักเก็บพลังงานในเวลาเดียวกันได้อย่างยอดเยี่ยม ..

สำหรับ อิเล็กโทรดโครงสร้างแบบเคลือบ Laminated Structural Electrodes นั้น วัสดุอิเล็กโทรดเคลือบที่มีฟังก์ชั่นรองรับน้ำหนัก และกักเก็บพลังงานได้อย่างดี คือ ประเด็นหลัก .. ตัวอย่างหนึ่งจาก แอโนดสังกะสี Zinc Anodes แคโทดแมงกานีสออกไซด์ MnO₂ Cathode และอิเล็กโทรไลท์ผสมไฟเบอร์ / โพลีเมอร์ Fiber / Polymer Composite Electrolyte .. อิเล็กโทรไลท์ของแบตเตอรี่เชิงโครงสร้างนี้ จะช่วยให้การเก็บประจุ และการคายประจุ เป็นไปด้วยความเสถียร .. การประกอบโครงสร้างอากาศยานด้วยวิธีนี้ ได้รับการสาธิตในอากาศยานไร้คนขับ .. แบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery ที่เสนอโดยทั่วไปนั้น ใช้แนวคิดพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ Carbon – Fiber – Reinforced Polymers : CFRP .. ณ ที่นี่ เส้นใยคาร์บอน จะทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรด และการเสริมโครงสร้างหลักไปพร้อมกัน ..

แผ่นลามินา Lamina ประกอบด้วย เส้นใยคาร์บอนที่ฝังอยู่ในวัสดุเมทริกซ์ เช่น โพลีเมอร์ .. เส้นใยคาร์บอนหลายชั้นเคลือบด้วยเมทริกซ์ที่ช่วยให้สามารถถ่ายเทน้ำหนักระหว่างเส้นใยได้ แต่ยังรวมถึงการไหลของไอออนของลิเธี่ยม ซึ่งแตกต่างจากเมทริกซ์ไวนิล Matrix Vinyl หรือเมทริกซ์อีพ็อกซี่ Epoxy Matrix ที่ใช้กันทั่วไป .. ระบบจัดเก็บพลังงานประเภทนี้ สามารถใช้ นิกเกิล Nickel หรืออนุภาคของลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Particles เป็นฐาน .. ลามิเนต Laminate ทำขึ้นจากการรวมกันของอิเล็กโทรดขั้วลบ ตัวคั่น และอิเล็กโทรดขั้วบวก ซึ่งฝังอยู่ในอิเล็กโทรไลท์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และเป็นโครงสร้างหลักไปพร้อมด้วย ..

แนวคิดการประยุกต์ใช้อิเล็กโทรดเชิงโครงสร้างแบบเคลือบลามิเนต Laminated Structural Electrodes นั้น เส้นใยคาร์บอน Fiber Carbon สามารถใช้ในการสอดแทรกเข้าไปได้ทุกตำแหน่ง เช่น ลิเธี่ยมไอออนขั้วบวกที่เป็นโครงสร้าง ในทำนองเดียวกันกับแอโนดแกรไฟต์ Graphite Anode ที่มีจำหน่ายทั่วไป และแคโทดเชิงโครงสร้าง ซึ่งประกอบด้วยเส้นใยคาร์บอนที่เคลือบด้วยวัสดุตัวนำไฟฟ้า Electrochemically Active Species เช่น อนุภาคของลิเธี่ยมออกไซด์ .. ตัวอย่างของแบตเตอรี่โครงสร้าง ที่ใช้อิเล็กโทรดขั้วลบคาร์บอนไฟเบอร์ และอิเล็กโทรดขั้วบวกลิเธี่ยมโซเดียมฟอสเฟต สามารถให้แสง Light – Emitting Diode : LED ออกมาได้ด้วย มีการใช้วัสดุคั่นระหว่างอิเล็กโทรดที่เป็นโครงสร้างทั้งสองขั้วบวกลบ เพื่อป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร อย่างไรก็ตาม แนวคิด Carbon Fibre Reinforced Carbon : CFRC ที่อธิบายข้างต้นนี้ ยังอยู่ระหว่างการวิจัย และพัฒนาอย่างต่อเนื่องต่อไป .. 

Structural Batteries กำลังท้าทายการปฏิวัติยนตรกรรมในระบบขนส่งที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ..

นานาประเทศในเอเชีย จีนไปจนถึงยุโรป และทั่วทั้งสหรัฐฯ .. รัฐบาล องค์กรการค้า และภาคเอกชนทั่วโลก ต่างเริ่มวิตกกังวลเล็กน้อย และตื่นเต้นกับโอกาสที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังจะเข้ามาแทนที่ยานยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในเชื้อเพลิงฟอสซิลในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า .. นายกรัฐมนตรี Boris Johnson แห่งสหราชอาณาจักร ประกาศเมื่อเดือนที่ผ่านมาว่า อังกฤษจะห้ามการซื้อขายยานยนต์เครื่องยนต์ลูกสูบที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงฟอสซิล ภายในปี 2573 ..

รัฐบาลไทยก็เช่นกัน ได้ให้คำมั่นที่จะลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก 20 – 25 % ภายในปี 2573 และมีแผนงานให้รถยนต์ใหม่ทุกคันที่จำหน่ายซื้อขายในประเทศ เป็นยานยนต์ที่ใช้ไฟฟ้าเท่านั้น ภายในปี 2578 .. การเปิดโรงงานขนาดใหญ่ของเทสลา Tesla Gigafactory ทั่วทุกแห่ง และผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ทุกราย กำลังแผนแบบยานยนต์ไฟฟ้า และชุดแบตเตอรี่ของมันให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด .. แบตเตอรี่ Batteries แสดงถึงความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดต่อการปฏิวัติระบบขนส่งที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เพราะส่วนที่เหลือของตัวรถอาจต่างไปจากสิ่งเราเคยสร้างมันมาเป็นเวลากว่าร้อยปีก็เป็นได้ ..

เป็นที่แน่นอนว่า บริษัท Tesla ของ Elon Musk นั้น นำหน้ามาไกลมาก โดยมุ่งเน้นไปที่การพัฒนารถยนต์ไฟฟ้า 100 % เป็นเวลากว่าทศวรรษแล้ว .. งานวันแบตเตอรี่ Battery Day ครั้งล่าสุดเผยให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่ค่อนข้างรวดเร็ว รวมถึงการสร้างแบตเตอรี่แบบไม่มีแท็บเพื่อเร่งการผลิต .. แอโนดซิลิคอนบริสุทธิ์ Pure Silicon Thin – Film Anodes for Lithium Ion Batteries ทำให้ปริมาณโคบอลต์ลดลงอย่างมาก .. นอกจากนี้ ตัวอย่างชุดแบตเตอรี่โครงสร้างที่กำลังเข้าสู่สายการผลิต ได้แก่ Tesla’s 4680 Structural Batteries ถือเป็นหนึ่งในความสำเร็จที่ยอดเยี่ยม มันได้กลายเป็นชุดแบตเตอรี่ที่เป็นพื้นห้องโดยสารทั้งแผ่นของตัวถังรถที่แข็งแกร่ง ..

ทั้งนี้ มันไม่ได้ถูกวางไว้บนตัวถังรถ แต่มันคือตัวถังรถ นอกจากนี้ ซิลิคอนแอโนด สามารถทำให้ EV วิ่งไปได้ 400 Km จากการชาร์จเพียง 5 นาที .. เขากำลังหมายถึง การใส่ชุดแบตเตอรี่ให้แน่นหนา และแข็งแรงขึ้นรอบ ๆ ตัวรถด้วย เพื่อให้มันเป็นโครงสร้างหลักของตัวรถเองเพิ่มเติมได้อีก .. เป็นที่รู้กันมานานแล้วว่า Carbon Fiber เบากว่า และแข็งแกร่งกว่า เหล็กกล้า Steel อลูมิเนียม Aluminum และ ไททาเนียม Titanium อยู่หลายเท่าตัว ..

ปัจจุบัน ไม่ว่าจะมองไปทางใด ชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่จำนวนหนึ่งที่ติดตั้งอยู่บนโครงตัวถังรถไฟฟ้า EV แสดงถึงสัดส่วนที่ใหญ่มากของน้ำหนักโดยรวม และความสิ้นเปลืองพลังงานอย่างมากที่เกิดขึ้น .. แบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าทั่วไป สามารถคิดเป็นสัดส่วนได้มากถึง 1/3 ของมวลรวมของรถ ในทางตรงกันข้าม เชื้อเพลิงในรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายใน มีสัดส่วนเพียง 3 % ของมวลเท่านั้น ..

ดังนั้น หากเราไม่จำเป็นต้องติดตั้งชุดแบตเตอรี่ใด ๆ เข้ากับส่วนใดส่วนหนึ่งของโครงสร้างตัวถังเลย จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อตัวถังของมันสามารถให้พลังงานทั้งหมดที่รถต้องการได้ และหากผนวกเทคโนโลยี Thin Film Solar PV for EV ด้วยแล้ว หมายถึง ยานยนต์ด้วยตัวโครงสร้างของมันเอง อาจกลายเป็นได้ทั้งแหล่งพลังงาน และระบบจัดเก็บพลังงานไปพร้อมด้วย พัฒนาการเหล่านี้ ยังคงเดินรุดหน้าต่อไปอย่างรวดเร็วเกินกว่าที่คาดไว้มาก และมันอาจกำลังสะท้อนถึงจุดจบของยานยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในด้วยน้ำมันเชื้อเพลิงฟอสซิลได้ในที่สุด ..

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ Battery Technology กับเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิต Composite Materials

ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิต Composite Materials Technology วิทยาการแบตเตอรี่ Battery Technology และความแม่นยำทางวิศวกรรมระดับไมโครสโคป Microscopic Precision Engineering ปัจจุบัน หมายความว่าตอนนี้เรากำลังเข้าใกล้ความสำเร็จสำหรับแบตเตอรี่โครงสร้าง ซึ่งอาจให้พลังงานทั้งหมดสำหรับรถยนต์ หรืออุปกรณ์ไฟฟ้า .. มันแสดงถึงขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญอย่างยิ่งเกี่ยวกับ ขนาด น้ำหนัก และประสิทธิภาพการใช้พลังงานในอนาคตอันใกล้ ไปสู่แนวคิด Structural Batteries หรือ Massless Energy Storage : MES ให้สำเร็จได้ ..

ก่อนหน้านี้ ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะทำให้แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างปกติ เมื่อมันถูกโค้งงอ หรือยืดออก จนกลายเป็นรูปร่างแปลก ๆ ทุกประเภททุกรูปแบบ ซึ่งมันเคยเป็นสิ่งที่ยากมากในอดีต .. แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนแบบธรรมดาทั่วไปทำงานอย่างไรในปัจจุบันนั้น โดยพื้นฐานแล้ว แคโทด Cathode และแอโนดอิเล็กโทรไลท์ Electrolyzer Anode บางประเภท รวมทั้งตัวคั่นเพื่อป้องกันการลัดวงจร พวกมันมาในรูปทรง และขนาดต่าง ๆ สามารถม้วนเป็นทรงกระบอกได้ ซึ่งTesla ใช้สำหรับยานพาหนะของพวกเขา แต่การออกแบบทั้งหมดเหล่านี้มีลักษณะร่วมกัน นั่นคือ ขั้วบวกและขั้วลบ จะถูกจัดลงตำแหน่งไว้อย่างแม่นยำ เพื่อให้อิเล็กตรอน สามารถไหลไปมาระหว่างกันได้ เนื่องเพราะหากสูญเสียการจัดตำแหน่งที่ถูกต้องแล้ว ยานยนต์นั้นก็จะสูญเสียระบบวงจรไฟฟ้าไปทั้งหมดได้ ..

Jie Xiao หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ และผู้รับผิดชอบกลุ่มวิจัย Battery & Materials System ที่ Pacific Northwest National Laboratory อธิบายปัญหาการออกแบบที่เกิดขึ้นไว้ว่า ..

“ด้วยจากมุมมองของการออกแบบ มันเป็นสิ่งสำคัญมากที่อิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบ ต้องเผชิญหน้ากัน ดังนั้น แม้ว่าเราจะสามารถใช้ประโยชน์จากช่องว่างที่ว่างเปล่าได้ แต่หากอิเล็กโทรดเหล่านั้น ไม่อยู่ในแนวเดียวกัน พวกมันก็จะไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า สิ่งนี้ได้จำกัดการออกแบบของแบตเตอรี่ที่มีโครงสร้างไม่ปกติไว้” ..

อย่างไรก็ตาม พวกเขาเริ่มต้นด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ Carbon Fiber ซึ่งเบามาก บางมาก และแข็งแรงอย่างยิ่ง มันได้ถูกประยุกต์ใช้งานทั่วไปอย่างแพร่หลายอยู่แล้ว สำหรับงานโครงสร้างหลายประเภทในเชิงพาณิชย์ รวมถึงโครงสร้างลำตัว ปีก แพนหางของเครื่องบินรบ และในรถยนต์สมรรถนะสูง .. นอกจากนี้ ยังมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในการกักเก็บไอออนของลิเธี่ยมได้เป็นอย่างดี ซึ่งหมายความว่า มันเป็นทางเลือกที่ยอดเยี่ยมในการเปลี่ยนขั้วบวกเป็นกราไฟท์ หรือ คาร์บอนไฟเบอร์ Carbon Fiber ในแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Battery ..

แต่ในงานวิจัยของ Greenhalgh และ Asp จาก Chalmers University of Technology ใน Gothenburg ประเทศสวีเดนนั้น ต้องการความแข็งแรงของโครงสร้างของคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วทั้งพื้นที่ของแบตเตอรี่ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องมีพื้นที่ทำงานของแคโทดที่แข็งแกร่งด้วย .. และเพื่อให้บรรลุเป้าหมายดังกล่าว พวกเขาได้ผสมเส้นใยคาร์บอนด้วยเหล็กฟอสเฟตซึ่งให้ปฏิกิริยาที่ดี และแข็งแรง .. พวกเขาใช้กระจกทอแผ่นบาง ๆ เป็นตัวคั่นแล้วห่อหุ้มสิ่งทั้งปวงไว้ในพอลิเมอร์เรซิน Polymer Resin ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นสารยึดเกาะเพื่อให้ทุกอย่างอยู่ในแนวเดียวกัน ..

ขณะเดียวกันก็ถ่ายโอนภาระจากชั้นหนึ่งไปยังอีกชั้นหนึ่ง เพื่อให้โครงสร้างที่สำคัญทั้งหมดมีความสมบูรณ์ และแน่นอน .. มันทำให้กระแสไฟฟ้าไหลในวงจรอยู่อย่างสม่ำเสมอ แม้ในขณะที่แผงถูกตัด และขึ้นรูป เพื่อทำหน้าที่เป็นโครงสร้างหลักที่แข็งแรงของตัวถังรถด้วย .. ผลลัพธ์ที่ได้ คือ แบตเตอรี่วัสดุแผ่นบางที่แข็งแรงอย่างยิ่ง ซึ่งสามารถขึ้นรูปตามแผนแบบใด ๆ ที่ต้องการได้ ..

เทคโนโลยีดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้ในโครงการ EU Horizons Project ของสหภาพยุโรปเมื่อเร็ว ๆ นี้ที่เรียกว่า Sorcerer ซึ่งพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนที่โครงสร้างของมัน สามารถถูกประยุกต์ใช้เพื่อสร้างชิ้นส่วนของลำตัว หรือปีกของอากาศยานได้ .. การวิจัย และพัฒนาอย่างไม่หยุดยั้งที่เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษนับตั้งแต่โครงการ Energy Storage เดิม ส่งผลให้คุณสมบัติเชิงกล และความหนาแน่นของพลังงานของวัสดุแบตเตอรี่รุ่นล่าสุด มีการปรับปรุงรุดหน้าไปอย่างต่อเนื่อง ..

ประโยชน์ของวัสดุวิศวกรรมมัลติฟังก์ชั่น Multifunctional Engineering Materials มีมากมาย และหลากหลาย ตัวอย่างเช่น การใช้เป็นส่วนประกอบในแบตเตอรี่เชิงโครงสร้าง Structural Batteries สำหรับยานยนต์ และอากาศยานในระบบขนส่ง .. คาดหมายว่า พวกมันจะถูกประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือ Mobile Phone และแล็ปท็อป Laptop อีกด้วย ..

อย่างไรก็ตาม ความมุ่งมั่นลดก๊าซเรือนกระจกในระบบขนส่ง กลายเป็นเรื่องที่น่าสนใจที่สุด ในขณะที่การใช้พลังงานไฟฟ้าเป็นหลักของภาคยนตรกรรมเชิงพาณิชย์ กำลังดำเนินการไปได้ด้วยดี แต่สำหรับเครื่องบิน หรืออากาศยานที่ใช้พลังงานไฟฟ้าล้วน ๆ นั้น ถือว่ายังมีการพัฒนารุดหน้าไปน้อยมาก ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากความหนาแน่นของพลังงาน Energy or Power Density ที่น้อยเกินไปของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ปัจจุบัน ..

ตัวอย่างวิสัยทัศน์ของบริษัทแอร์บัส Air Bus ในการสร้างเครื่องบินโดยสารที่ใช้พลังงานไฟฟ้าทั้งหมดภายในปี 2050 เป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างมาก .. พิจารณาเที่ยวบิน 1 ชั่วโมง ด้วยเครื่องบินโดยสาร 100 ลำ หากแอร์บัสเพียงแค่เปลี่ยนน้ำมันก๊าด ประมาณ 30 กก.ต่อผู้โดยสารที่ใช้สำหรับเที่ยวบินดังกล่าวด้วยชุดแบตเตอรี่ พวกเขาจะต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีน้ำหนักประมาณ 1,000 กก./ผู้โดยสาร .. ดังนั้น วิธีการทำโครงสร้างหลัก โครงสร้างรอง หรือชิ้นส่วนภายในจากวัสดุคอมโพสิต และการประยุกต์ใช้แบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery Packs ให้เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างอากาศยานด้วยนั้น จึงเป็นแนวความคิดที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับบริษัทผู้ผลิตเครื่องบินรายใหญ่จากนี้ไปแน่นอน ..

Game Changer 4680 Structural Battery ใหม่ของ Tesla ในการล้มคู่แข่ง EV ..

คาดหมายว่า ชุดเซลล์แบตเตอรี่ 4680 ของ Tesla จะกลายเป็นเงื่อนไขหลักที่ต้องดำเนินการให้สำเร็จ .. ชุดแบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Batteries 4680 ชุดแรก สำหรับ Tesla มีความสำคัญพอ ๆ กับ Tesla’s FSD Beta Version 9 ที่ขับเคลื่อนด้วยตัวเองเต็มรูปแบบรุ่นล่าสุด ..

Tesla ต้องการที่จะเติบโตอย่างน้อย 50% ต่อปี และเพื่อทำเช่นนั้นจะต้องใช้ชุดแบตเตอรี่มากขึ้น .. การคาดการณ์ของบริษัท Tesla ทำให้เห็นได้ว่า จะมีแบตเตอรี่ไม่เพียงพอหากเพียงแค่พึ่งพาซัพพลายเออร์เท่านั้น .. ดังนั้น บริษัท Tesla จึงตัดสินใจดำเนินการด้วยตัวเอง เพื่อออกแบบโซลูชันใหม่ ๆ และปรับปรุงความสามารถในการผลิต รวมทั้งยกระดับคุณภาพของชุดแบตเตอรี่ในอนาคต ..

กระบวนการผลิตมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง นับตั้งแต่โรงงาน Gigafactory แห่งแรกของ Tesla ถูกสร้างขึ้นในเนวาดา .. แบตเตอรี่ที่มีสถาปัตยกรรมแบบตาราง ซึ่งช่วยขจัดขั้นตอนการผลิตในสายการผลิตที่ต้องรอนาน .. สิ่งเหล่านี้ ได้เพิ่มความเร็ว และลดข้อบกพร่อง เร่งเวลา และเพิ่มขนาด ในกระบวนผลิตตามที่ตลาดต้องการได้อย่างยอดเยี่ยม ..

เซลล์แบตเตอรี่ 4680 ของ Tesla ได้รับการเปิดเผยอย่างเป็นทางการ ในวันแบตเตอรี่ที่ผ่านมา เมื่อเดือนกันยายน 2563 .. ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้า EV รายใหญ่นี้ นำเสนอเทคโนโลยีใหม่ ๆ หลายชิ้นที่รวมเข้าด้วยกัน ส่งผลให้มีแบตเตอรี่ของพวกเขาที่มีความหนาแน่นของพลังงาน Energy Density เพิ่มสูงมากขึ้น และสามารถลดต้นทุนได้ถึง 50% ด้วยสมรรถนะตัวยานยนต์ที่สูงขึ้นกว่ารุ่นก่อน ..

การปรับปรุงที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งที่ 4680 Cells นำมาใช้ คือ ความสามารถในการสร้างชุดแบตเตอรี่โครงสร้าง ซึ่งทำให้ส่วนที่เป็นโครงสร้างหลักตัวถังรถเดิม จำนวนชิ้นส่วน น้ำหนัก และต้นทุน ลดลงไปได้อย่างมาก .. Tesla ได้ดำเนินการโรงงานนำร่องสำหรับเซลล์แบตเตอรี่ใหม่ในฟรีมอนต์ Fremont โดยที่ Elon Musk ได้มุ่งมั่นกำลังการผลิตให้สูงถึง 10 GWh ให้สำเร็จให้ได้ภายในสิ้นปี 2564 ..

การจัดเก็บพลังงานแบบไร้มวล Massless Energy Storage รูปแบบแบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery ในสวีเดน ..

ในสวีเดน ทีมวิศวกรของมหาวิทยาลัย Chalmers ได้ค้นพบความก้าวหน้าครั้งใหม่ .. แบตเตอรี่โครงสร้างชนิดใหม่ที่สามารถเป็นแบตเตอรี่ และแผงตัวถังรถได้พร้อมด้วยเช่นกัน ..

นักวิจัยกำลังทำงานในโครงการใหม่ซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากสำนักงานอวกาศแห่งชาติสวีเดน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่โครงสร้างต่อไป .. เส้นใยคาร์บอน Carbon Fiber จะมาแทนที่แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์ Aluminium Foil สำหรับการใช้มันเป็นวัสดุรับน้ำหนักที่ขั้วไฟฟ้าบวก ทำให้มีความแข็ง และความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้น ตัวคั่นด้วยไฟเบอร์กลาส จะถูกสลับด้วยรุ่นที่บางเฉียบ เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นด้วยรอบการชาร์จประจุไฟฟ้าเร็วขึ้นอีกมาก ..

ทำไมมันถึงพิเศษมากนัก .. คาดหมายว่า เทคโนโลยีแบตเตอรี่โครงสร้างรูปแบบนี้ ไม่ว่าจะไปจบลงที่ใดในอนาคตก็ตาม หรือมันอาจผนวกเข้ากับเทคโนโลยีอื่น ๆ เช่น Thin Film Solar PV .. มันหมายถึง ศักยภาพในเชิงพาณิชย์ที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่งอีกด้วย ..

การผลิตเซลล์แบตเตอรี่โครงสร้างในห้องปฏิบัติการคอมโพสิตของ Chalmers โดย Doctor Johanna Xu มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ประเทศสวีเดน .. เซลล์ไฟฟ้าประกอบด้วยอิเล็กโทรดคาร์บอนไฟเบอร์ และอิเล็กโทรดลิเธี่ยมไอออนฟอสเฟตที่คั่นด้วยผ้าไฟเบอร์กลาส .. แบตเตอรี่โครงสร้าง สามารถทำตัวเป็นอิเล็กโทรไลท์สำหรับฟังก์ชั่นเชิงกล และทางไฟฟ้ารวมกันได้เป็นอย่างดี ..

การวิเคราะห์มัลติเซลล์ลามิเนต Multicell Laminate ที่ผลิตขึ้นในห้องปฏิบัติการคอมโพสิตของ Chalmers โดย Doctor Johanna Xu และ Professor Leif Asp .. มีการเชื่อมต่อแบตเตอรี่โครงสร้างสามก้อนเป็นอนุกรม และเคลือบไว้ให้เป็นส่วนหนึ่งของลามิเนตคอมโพสิตขนาดใหญ่ .. เซลล์แบตเตอรี่โครงสร้างแต่ละเซลล์มีแรงดันไฟฟ้า 2.8 V .. ลามิเนตมีแรงดันไฟฟ้ารวม 8.4 V และความแข็งในระนาบเพียง 28 GPa ..

อย่างไรก็ตาม Asp กล่าวว่า ชุดแบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery Pack ที่มีความหนาแน่นพลังงาน 75 Wh/kg และความแข็ง 75 GPa สามารถทำได้ในเชิงพาณิชย์อย่างแน่นอน ซึ่งทำให้มีความแข็งแรงพอ ๆ กับอะลูมิเนียม Aluminium แต่เบากว่ามากเมื่อเปรียบเทียบกัน ..

“แบตเตอรี่โครงสร้างรุ่นต่อไป จะมีศักยภาพที่ยอดเยี่ยมกว่า” Leif Asp ศาสตราจารย์ภาควิชาอุตสาหกรรม และวัสดุศาสตร์ Chalmers University of Technology กล่าว ..

“หากมองดูเทคโนโลยีสำหรับผู้บริโภค .. มันอาจเป็นไปได้ภายในเวลาไม่กี่ปีจากนี้ไปเท่านั้น ในการผลิตสมาร์ทโฟน แล็ปท็อป หรือจักรยานไฟฟ้า ที่มีน้ำหนักเพียงครึ่งเดียวของปัจจุบัน และมีขนาดเล็กกว่ามาก” .. ในระยะยาว การทำงานวิจัยในเรื่องเหล่านี้ อาจส่งผลให้มนุษยชาติได้เห็น รถยนต์ไฟฟ้า เครื่องบินไฟฟ้า และดาวเทียมที่ออกแบบ และขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่โครงสร้าง ได้สำเร็จในที่สุด ..

Asp กล่าวเพิ่มเติมไว้อีกว่า “เราได้รับความสนใจอย่างมากจากหลากหลายบริษัทยักษ์ใหญ่ที่เกี่ยวข้องจากการตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์ของเราในสาขานี้ .. เป็นที่เข้าใจได้ว่า มีความสนใจอย่างมากต่อวัสดุอเนกประสงค์น้ำหนักเบาที่แข็งแกร่งอย่างยิ่งเหล่านี้” ..

สรุปส่งท้าย ..

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ในสวีเดน อ้างถึง “การพัฒนาครั้งใหญ่” ซึ่งหมายถึง พัฒนาการของแบตเตอรี่ที่สามารถทำงานได้ทั้งเป็นโครงสร้างหลัก และแหล่งพลังงาน ..

แบตเตอรี่ที่สามารถรองรับน้ำหนักมหาศาลได้ กำลังได้รับการพัฒนาร่วมกับ KTH Royal Institute of Technology มหาวิทยาลัยเทคนิค และวิศวกรรมชั้นนำของยุโรป รวมถึงศูนย์ความสามารถ และนวัตกรรมทางปัญญาที่สำคัญ ซึ่งเป็นสถาบันวิจัย และการเรียนรู้ด้านเทคนิคที่ใหญ่ที่สุดในสวีเดน เพื่อใช้งานแบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery ในการออกแบบเครื่องบิน ยานพาหนะ และอาคาร ..

แบตเตอรี่เชิงโครงสร้าง Structural Battery หรือที่เรียกว่า การจัดเก็บพลังงานแบบไร้มวล Massless Energy Storage : MES มีเป้าหมายเพื่อลดน้ำหนักของยานพาหนะที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ หรือวัตถุอื่น ๆ อย่างมีนัยสำคัญ โดยการรวมแบตเตอรี่เข้ากับโครงสร้างหลักของเครื่องจักรกล หรือยานยนต์ .. การกระทำเช่นนี้ จะช่วยลดความจำเป็นในการแยกแบตเตอรี่ออกไปติดตั้งต่างหาก ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพ และสมรรถนะของตัวรถเพิ่มขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น รถยนต์ไฟฟ้าที่เบากว่า จะใช้พลังงานน้อยลงในการขับขี่ ด้วยเงื่อนไขอื่น ๆ ทั้งหมดที่เท่าเทียมกัน ..

แบตเตอรี่แห่งอนาคต ไร้น้ำหนัก และมองไม่เห็น .. การฟื้นฟูการวิจัยแบตเตอรี่โครงสร้าง ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างระบบจัดเก็บพลังงานลงไปในโครงสร้างอุปกรณ์ และยานพาหนะที่ใช้พลังงานในเชิงพาณิชย์ ..

ในแบตเตอรี่ทั่วไป องค์ประกอบที่เป็น แคโทด แอโนด อิเล็กโทรไลท์ และตัวคั่น จะเรียงซ้อนกัน หรือพันรอบม้วนกันไว้ เพื่อบีบอัดพลังงานให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ด้วยปริมาตรน้อยที่สุด .. แต่ในแบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery พวกเขาจะต้องได้รับการกำหนดค่าใหม่ เพื่อให้สามารถขึ้นรูปเซลล์ไฟฟ้าให้มีรูปร่างผิดปกติ และทนต่อความเครียดทางกายภาพได้ .. แบตเตอรี่โครงสร้าง จึงดูไม่เหมือนลูกบาศก์สี่เหลี่ยม หรือทรงกระบอก แต่กลับดูเหมือนจะกลายเป็นปีกเครื่องบิน ตัวถังรถ หรือเคสโทรศัพท์ นั่นเอง ..

แบตเตอรี่โครงสร้างชุดแรก ๆ ได้รับการพัฒนาโดยกองทัพสหรัฐฯ ในช่วงกลางทศวรรษที่ ​​2000 โดยการประยุกต์ใช้คาร์บอนไฟเบอร์ Carbon Fiber สำหรับอิเล็กโทรดของเซลล์ไฟฟ้า .. คาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุที่มีน้ำหนักเบา และแข็งแกร่งเป็นพิเศษ ซึ่งมักนิยมใช้มันเพื่อสร้างลำตัวเครื่องบินรบ และรถยนต์สมรรถนะสูง

นอกจากนี้ มันยังสามารถจัดเก็บไอออนของลิเธี่ยมได้ดีมากอีกด้วย ซึ่งช่วยทดแทนวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นหลัก เช่น กราไฟท์ ที่ใช้เป็นแอโนดในแบตเตอรี่ Lithium – Ion ทั่วไปได้เป็นอย่างดี แต่ในแบตเตอรี่โครงสร้าง คาร์บอนไฟเบอร์ที่ผสมด้วยวัสดุรีแอกทีฟ Reactive Material เช่น เหล็ก ฟอสเฟต ก็ใช้สำหรับแคโทดเช่นกัน เพราะจำเป็นต้องให้การสนับสนุน แผ่นใยแก้วบาง ๆ แยกอิเล็กโทรดทั้งสองออกจากกัน และชั้นเหล่านี้ จะถูกแขวนไว้ในอิเล็กโทรไลท์เคมีไฟฟ้า .. ยิ่งไปกว่านั้น มันบางมาก ความหนาของมันอยู่ที่เพียงไม่กี่ µm และสามารถตัดเป็นรูปทรงใด ๆ ก็ได้ตามต้องการ ..

แม้ว่าแบตเตอรี่โครงสร้างสำหรับยานยนต์ จะมีความแข็งแกร่งสูง แต่เซลล์ไฟฟ้าเชิงโครงสร้างที่พัฒนาโดยทีมของ Professor Nicholas Kotov นั้น ตั้งใจให้ยืดหยุ่นเพื่อรับมือกับการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ด้วย พวกมันยังมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมากอย่างไม่น่าเชื่อ .. ตามที่ Kotov และทีมของเขาได้ให้รายละเอียดไว้ในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อต้นปีนี้ แบตเตอรี่โครงสร้างของพวกเขามีความจุพลังงาน 72 เท่าของความจุพลังงานของเซลล์ลิเธี่ยมไอออนทั่วไปด้วยปริมาตรที่เท่ากัน ..

สำหรับตอนนี้ แบตเตอรี่ของพวกเขาถูกใช้เพื่อขับเคลื่อนของเล่นหุ่นยนต์ และโดรนขนาดเล็ก เพื่อเป็นข้อพิสูจน์แนวคิด แต่ Kotov คาดหวังว่าพวกเขาจะใช้ในหุ่นยนต์ขนาดกลาง และโดรนขนาดใหญ่ในอนาคตอันใกล้นี้ “โดรน Drone และหุ่นยนต์ขนาดกลาง จำเป็นต้องมีโซลูชั่นใหม่ ๆ สำหรับระบบจัดเก็บพลังงาน” Kotov กล่าว “รับประกันได้เลยว่า แบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery จะกลายเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งเหล่านั้นแน่นอน”

ในอดีตที่ผ่านมา แม้ว่าแบตเตอรี่โครงสร้าง จะแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ที่หลากหลาย แต่น่าเสียดายที่มันไม่สามารถทำตลาดในเชิงพาณิชย์ได้ เนื่องจากกระบวนการผลิตที่มีราคาแพงเกินไป และต้นทุนการดำเนินงานที่สูงมาก .. หากลองนึกภาพว่า ในกรณีมีอุบัติเหตุเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย เช่น ชน หรือถูกชน และเกิดรอยยุบ หรือความเสียหายบนตัวรถ การซ่อมแซมมันกลับมาใหม่จะมีราคาแพงมาก เนื่องจากต้องประกันความสมบูรณ์ของโครงสร้างหลักโดยรวมด้วย ..

นั่นคือเหตุผลที่เรายังไม่เคยเห็นแบตเตอรี่โครงสร้างมาก่อนจนปัจจุบัน .. อย่างไรก็ตาม กระบวนการผลิตและเทคโนโลยีวัสดุอัจฉริยะล่าสุด ดูเหมือนจะให้โอกาสใหม่ ๆ และอาจพบการประยุกต์ใช้งานมันในรูปแบบที่ไม่คาดคิดมาก่อนเช่นกัน อุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า ยานยนต์ เรือ และอากาศยาน ..

ในกรณีของเครื่องจักรกลที่ใช้แบตเตอรี่โครงสร้างนั้น มันจะกลายเป็นวัสดุภายนอก และภายใน ทำให้มองไม่เห็นตัวชุดแบตเตอรี่ที่ชัดเจนอีกต่อไป .. ในกรณีของเครื่องบิน หรืออากาศยาน แบตเตอรี่โครงสร้าง สามารถกลายร่างไปเป็นปีก แพนหาง และลำตัวของอากาศยาน เพื่อแก้ปัญหาใหญ่สำคัญอย่างหนึ่งในการสร้างเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้า นั่นคือ น้ำหนักของชุดแบตเตอรี่ ..

ด้วยความจริงที่เป็นข้อค้นพบในห้องปฏิบัติการนั้น น้ำหนักชุดแบตเตอรี่โครงสร้าง Structural Battery Packs อาจเบากว่าชุดแบตเตอรี่ปกติเล็กน้อย หรืออาจน้อยกว่ามากถึงครึ่งหนึ่งก็เป็นได้ .. อย่างไรก็ตาม ความแตกต่างจริง ๆ ของมัน คือ น้ำหนักที่กล่าวถึงนี้ จะไม่เป็นส่วนเกินที่เพิ่มน้ำหนักของเครื่องบินอีกต่อไป แต่มันจะไปแทนที่น้ำหนักของอลูมิเนียม ไททาเนียม และเหล็กกล้า ที่ใช้ในการผลิตลำตัว ปีก และแพนหาง ..

การใช้เส้นใยคาร์บอน Carbon Fiber สามารถให้ความแข็งแกร่งของโครงสร้าง และความยืดหยุ่นได้เหนือชั้นกว่า ไทเทเนียม อลูมิเนียม และเหล็กกล้า ซึ่งเครื่องบินรุ่นใหม่ ๆ มีชิ้นส่วนที่เป็นเส้นใยคาร์บอนอยู่แล้วพอสมควร รวมถึงปีกของอากาศยานรบหลายแบบด้วย .. การใช้คาร์บอนไฟเบอร์ Carbon Fiber สำหรับโครงสร้างหลักของอากาศยานนั้น มันยอดเยี่ยมมาก มันแข็งแกร่งกว่า ยืดหยุนกว่า และเบาอย่างยิ่ง รวมทั้งยังสามารถจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าด้วยความจุมหาศาลไว้ได้อีกด้วย ..

คอลัมน์ : Energy Key

By….โลกสีฟ้า

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Big Breakthrough for “Massless” Energy Storage: Structural Battery That Performs 10x Better Than All Previous Versions :-

Big Breakthrough for “Massless” Energy Storage: Structural Battery That Performs 10x Better Than All Previous Versions

Structural Batteries: A Review | MDPI :-

3 Industry – Leading Applications of Structural Batteries :-

3 Industry-Leading Applications of Structural Batteries

Composites for structural batteries | CompositesWorld :-

Tesla’s 4680 Batteries Seem To Be In Production – Structural Battery Packs Coming? | Tesla :-

A Structural Battery and its Multifunctional Performance | John Wiley & Sons, Inc :-

Swedish University Develops Lightweight Structural Battery Using Carbon Fibre :-https://www.dezeen.com/2021/05/24/structural-battery-chalmers-university-of-technology/