ชาร์จไฟฟ้าเร็วขึ้น 500% ในอุณหภูมิต่ำจุดเยือกแข็งด้วยเทคนิคการผลิตใหม่ที่เรียบง่าย
งานวิจัยล่าสุดเปิดเผยว่า รถยนต์ไฟฟ้าสามารถชาร์จได้เร็วขึ้นถึง 500% ในสภาพอากาศที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง โดยอาศัยกระบวนการผลิตแบตเตอรี่แบบใหม่ที่เรียบง่ายแต่ทรงประสิทธิภาพ ซึ่งเป็นผลมาจากการเคลือบแบตเตอรี่ด้วยชั้นบางเฉียบของลิเธียมโบเรตคาร์บอเนต
ผลการวิจัยดังกล่าวมีชื่อว่า "การเปิดใช้งานการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเร็ว 6C ที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ผ่านการออกแบบอินเทอร์เฟซและสถาปัตยกรรม 3 มิติ" และได้รับการเผยแพร่ในวารสาร Joule เมื่อวันที่ 17 มีนาคมที่ผ่านมา โดยทีมนักวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยมิชิแกน สหรัฐอเมริกา
ทีมวิจัยสามารถปรับปรุงอัตราการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างมีนัยสำคัญแม้ในอุณหภูมิต่ำถึง 14 องศาฟาเรนไฮต์ หรือ -10 องศาเซลเซียส ผ่านการออกแบบโครงสร้างใหม่ของแบตเตอรี่ รวมถึงการเปลี่ยนแปลงกระบวนการทางเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จ
ปัญหาการชาร์จไฟฟ้าในสภาพแวดล้อมอุณหภูมิต่ำ
โดยทั่วไปแล้ว อุณหภูมิที่เย็นจัดจะส่งผลให้แบตเตอรี่ชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าได้ช้าลง เนื่องจากกระบวนการเคมีที่สำคัญในระหว่างการชาร์จถูกขัดขวาง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานโดยการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียมระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดภายในสารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลว ซึ่งกระบวนการนี้จะทำงานได้ดีที่สุดในอุณหภูมิที่อุ่นกว่า แต่เมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง ความหนืดของอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้น ทำให้กระแสไฟฟ้าลดลงและเวลาในการชาร์จยาวนานขึ้นนั่นเอง
ปัญหานี้ทำให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่ต้องพยายามหาวิธีปรับปรุง ทั้งด้วยการเพิ่มความหนาของขั้วไฟฟ้าหรือการปรับเปลี่ยนโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม กลับพบว่าหลายแนวทางที่ใช้มักนำไปสู่ปัญหาอื่นแทน ตัวอย่างเช่น งานวิจัยในปี 2023 ระบุว่าการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์อาจขัดขวางความสามารถในการชาร์จเร็วในอุณหภูมิปกติ
เจาะรูด้วยเลเซอร์ลงในชั้นกราไฟต์ของขั้วบวก
ในงานวิจัยก่อนหน้านี้ที่เผยแพร่ในปี 2020 นักวิจัยได้พัฒนาหนทางใหม่สำหรับลิเธียมไอออน โดยการเจาะรูด้วยเลเซอร์ลงในชั้นกราไฟต์ของขั้วบวก ซึ่งทำหน้าที่รับไอออนในระหว่างการชาร์จ วิธีนี้ช่วยให้ไอออนสามารถเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรดได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ทำให้กระบวนการชาร์จมีประสิทธิภาพสูงขึ้น
อย่างไรก็ตาม ในสภาพอากาศหนาวจัด วิธีดังกล่าวกลับทำให้เกิดการสะสมของลิเธียมบนขั้วบวกในลักษณะที่เรียกว่า "Plating (การชุบ)" ซึ่งขัดขวางไม่ให้อิเล็กโทรดสามารถทำปฏิกิริยากับของเหลวอิเล็กโทรไลต์ได้ตามปกติ ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลงอีกครั้ง
“การชุบลิเธียมที่เกิดขึ้นจะทำให้ขั้วไฟฟ้าไม่สามารถชาร์จได้อย่างสมบูรณ์ และนั่นทำให้ความจุพลังงานของแบตเตอรี่ลดลง” มโนช จางกิจ (Manoj Jangid) ผู้ร่วมวิจัยและนักวิจัยอาวุโสแห่งมหาวิทยาลัยมิชิแกนกล่าวกับ Live Science
เคลือบผิวขั้วไฟฟ้าด้วยชั้นลิเธียมโบเรตคาร์บอเนต
เพื่อลดปัญหานี้ ในการศึกษาครั้งล่าสุด นักวิจัยได้เพิ่มการเคลือบผิวขั้วไฟฟ้าด้วยชั้นลิเธียมโบเรตคาร์บอเนตที่มีความหนาเพียง 20 นาโนเมตร โดยอิงจากงานวิจัยก่อนหน้านี้เกี่ยวกับแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ชี้ว่าการใช้วัสดุดังกล่าวสามารถปรับปรุงการเคลื่อนที่ของไอออนในระบบได้
เมื่อรวมเทคนิคการสร้างเส้นทางใหม่กับการเคลือบลิเธียมโบเรตคาร์บอเนต ทีมวิจัยสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จในอุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งได้มากถึง 500% และแบตเตอรี่ที่ผ่านการดัดแปลงด้วยวิธีนี้ยังคงความจุไว้ได้ถึง 97% แม้ผ่านการชาร์จเร็วถึง 100 ครั้งในอุณหภูมิต่ำ
แม้งานวิจัยจะยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ศาสตราจารย์ดัสคุปตากล่าวว่า เทคนิคนี้สามารถนำไปใช้ได้จริงในอุตสาหกรรม โดยไม่จำเป็นต้องปรับปรุงสายการผลิตขนานใหญ่ และแนวทางใหม่นี้สามารถถูกนำไปใช้โดยผู้ผลิตแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าได้ทันที โดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนโรงงานผลิตเดิม