การวิเคราะห์แบตเตอรี่ชาร์จเร็วลิเธียมเหล็กฟอสเฟต 4C

CATL ได้เปิดตัวแบตเตอรี่ชาร์จเร็ว 4C: ระยะทางขับขี่ยาวนานเป็นพิเศษเทียบได้กับรถยนต์ที่ใช้พลังงานเชื้อเพลิง โดยมีการสูญเสียพลังงานที่อุณหภูมิต่ำและประสิทธิภาพการเร่งความเร็วเป็นศูนย์ร้อยชั่วโมงโดยไม่เสื่อมสภาพ

ในงานแถลงข่าว Wu Kai หัวหน้านักวิทยาศาสตร์ของ CATL ได้แนะนำแบตเตอรี่นี้ ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ชาร์จเร็วสุด 4C ใหม่ที่ใช้ระบบวัสดุขั้วบวกลิเธียมเหล็กฟอสเฟต – Shenxing Super Charge Battery: ชาร์จได้ 10 นาทีและใช้งานได้หลากหลาย 400 กิโลเมตร CATL เน้นย้ำในงานแถลงข่าวว่าแบตเตอรี่และรุ่นที่ดัดแปลงจะมีราคาไม่แพงสำหรับผู้ซื้อทั่วไป แบตเตอรี่ Shenxing จะถูกผลิตจำนวนมากภายในสิ้นปี 2023 และจะเปิดตัวในไตรมาสแรกของปี 2024

บริษัทรถยนต์รายแรกที่ติดตั้งแบตเตอรี่ Shenxing: Avita Technology Avita Technology เป็นแบรนด์ที่สร้างสรรค์ร่วมกันโดย Changan Automobile, CATL และ Huawei

การชาร์จเร็ว 4C คืออะไร

คำจำกัดความของการชาร์จเร็ว: การชาร์จเร็วไม่ใช่แนวคิดใหม่ คำว่า Fast Charge เกิดขึ้นในยุคของสมาร์ทโฟนซึ่งหมายถึงการชาร์จไฟฟ้ามากขึ้นในเวลาที่สั้นลง การชาร์จแบตเตอรี่ด้วยความเร็วสูงสุดในช่วงเวลาสั้นๆ การชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มหรือใกล้เต็ม แต่จำเป็นต้องให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถบรรลุวงจรชีวิตที่กำหนดความปลอดภัยที่เกี่ยวข้อง ประสิทธิภาพและสมรรถนะทางไฟฟ้า

4C ไม่ใช่ตัวบ่งชี้ใหม่ แต่เป็นส่วนขยายของตัวบ่งชี้การชาร์จและการคายประจุแบบเดิม เช่น 1C และ 2C

การชาร์จแบบเร็ว 4C หมายถึงอัตราการชาร์จ (เช่น ชาร์จเต็มในหนึ่งในสี่ของชั่วโมง) นั่นคือชาร์จอย่างรวดเร็วและเต็มภายใน 15 นาที

อัตราประจุและการคายประจุแบตเตอรี่ C: อัตราการชาร์จและการคายประจุ C หมายถึงการวัดความเร็วในการคายประจุ เช่น 1C, 2C, 4C, 0.2C คืออัตราการคายประจุแบตเตอรี่ C ยังแสดงถึงอัตราความสามารถในการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ และ 1C แสดงถึงความเข้มข้นของกระแสไฟฟ้าเมื่อแบตเตอรี่คายประจุจนหมดในหนึ่งชั่วโมง หากความจุหมดภายใน 1 ชั่วโมง เรียกว่า 1C หากหมดภายในครึ่งชั่วโมง เรียกว่า 2C หากหมดภายใน 15 นาที เรียกว่า 4C หากหมดภายใน 5 ชั่วโมง เรียกว่า 1/5=0.2C คายประจุ

หมายเหตุ: แบตเตอรี่ลิเธียม 18650 เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาตรฐานที่ผลิตและออกแบบโดยบริษัท SONY ของญี่ปุ่น โดย 18 หมายถึงเส้นผ่านศูนย์กลาง 18 มม., 65 หมายถึงความยาว 65 มม. และ 0 หมายถึงแบตเตอรี่ทรงกระบอก

พิกัดความจุคือ 12A·h เมื่ออัตราคือ 20 ชั่วโมง ซึ่งแสดงด้วย C20=12A·h หมายความว่าแบตเตอรี่หมดประจุด้วยกระแสไฟ 12/20=0.6A และควรจะสามารถใช้งานต่อเนื่องได้ถึง 20 ชั่วโมง

สูตรประจุแบตเตอรี่และอัตราการคายประจุ : อัตราการประจุและการคายประจุ = กระแสประจุและการคายประจุ / ความจุที่กำหนด นั่นคือ กระแสประจุและการคายประจุ = อัตราการประจุและการคายประจุ * ความจุพิกัด วิธีแสดงกระแสคายประจุแบตเตอรี่/กระแสชาร์จคืออัตรา C ซึ่งแสดงเป็น: I=M*Cn

I : กระแสคายประจุสูงสุด A แอมป์

C : พิกัดความจุแบตเตอรี่ แสดงเป็นแอมแปร์ชั่วโมง A·h

n : จำนวนชั่วโมงที่ปล่อยความจุระบุ ตัวห้อย C ใช้เพื่อระบุจำนวนชั่วโมงที่แบตเตอรี่ทำงานที่กระแสไฟฟ้าที่กำหนดเท่านั้น ดังนั้น โดยทั่วไปจะไม่มีการบวกตัวห้อยเมื่ออธิบายอัตรา C ของแบตเตอรี่โดยละเอียด

M : ผลคูณของ C หรือเศษส่วน

อัตราชั่วโมง : คืออัตราการคายประจุที่แสดงในรูปของเวลาคายประจุ ซึ่งแสดงถึงจำนวนชั่วโมงที่แบตเตอรี่ใช้ในการคายประจุจนถึงแรงดันไฟฟ้าสุดท้ายที่ระบุตามความเข้มของกระแสที่แน่นอน

สถานะการพัฒนาการชาร์จเร็ว 4C

United States Advanced Battery Consortium (USABC) ได้เสนอตัวบ่งชี้เฉพาะสำหรับแบตเตอรี่ที่ชาร์จเร็ว โดยกำหนดให้ต้องชาร์จ 80% ของพลังงานแบตเตอรี่ทั้งหมดภายใน 15 นาที

สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่มีระยะทางที่ต้องการ 400 กม. ต้องใช้ชุดแบตเตอรี่อย่างน้อย 320 kW ที่มีกำลังการชาร์จ 100 kW·h สำหรับการชาร์จอย่างรวดเร็วเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดมาตรฐาน USABC

ตามข้อกำหนดนี้ แบตเตอรี่ที่ชาร์จเร็วจะต้องเป็นไปตามเงื่อนไขต่อไปนี้:

ความหนาแน่นของพลังงาน: วัสดุนี้มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ซึ่งหมายความว่าสามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้น

ปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว: เมื่อใส่และถอดลิเธียมไอออน วัสดุจะต้องทำปฏิกิริยากับลิเธียมอย่างรวดเร็ว

การสูญเสียควรต่ำ: วัสดุเป็นตัวนำอิเล็กตรอนที่ดี วิธีนี้จะช่วยลดการสูญเสียภายในของแบตเตอรี่และปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ให้ดียิ่งขึ้น

ความเสถียรของวัสดุ: ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ วัสดุจะไม่เปลี่ยนโครงสร้างหรือสลายตัวในลักษณะอื่น และปริมาตรของวัสดุจะไม่ขยายหรือเปลี่ยนรูป

ประหยัดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม: ต้นทุนวัสดุจะต้องต่ำซึ่งเป็นตัวกำหนดราคาของแบตเตอรี่และรถยนต์ไฟฟ้าและสามารถนำไปใช้ได้ในระยะสั้น การคุ้มครองสิ่งแวดล้อมไม่ต้องการมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมหรือน้อยที่สุด ควบคุมได้ และการพัฒนาในระยะยาว

ในแง่ของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ปัจจุบันแบตเตอรี่ “4C” กำลังกลายเป็นจุดสนใจของโครงร่างของผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่ บริษัทแบตเตอรี่กระแสหลักกำลังส่งเสริมการอัพเกรดอัตราการชาร์จจาก 1C-2C เป็น 4C ในยุคของรถยนต์ไฟฟ้า 2.0 การชาร์จเร็ว 4C และแม้แต่การชาร์จเร็ว 6C จะกลายเป็นสมรภูมิต่อไป

ในปี 2022 Farasis Energy จะเปิดตัวโซลูชันแบตเตอรี่พลังงานใหม่ – SPS ซึ่งรองรับแพลตฟอร์ม 800V และการชาร์จด่วน “4C” ส่วนผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ BEV ที่ชาร์จเร็ว 2C ของ Sunwoda และผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ 4C ที่ชาร์จเร็วเป็นพิเศษนั้นสามารถปรับให้เข้ากับระบบไฟฟ้าแรงสูง 800V และ 400V ได้

ก่อนหน้านี้ CATL เปิดตัวแบตเตอรี่ Kirin “4C” ที่ใช้ระบบลิเธียมแบบไตรภาค เมื่อวันที่ 27 สิงหาคม 2022 บริษัท CATL จำกัด และบริษัท Thalys Group ได้ประกาศร่วมกันว่าแบตเตอรี่ Kirin จะเปิดตัวใน AITO World Series รุ่นใหม่

บริษัทด้านวัสดุแบตเตอรี่ นอกเหนือจาก CATL, CALB, Honeycomb Energy, EVE Energy, Farasis Energy และอื่นๆ ต่างได้เปิดตัวโซลูชันแบตเตอรี่ชาร์จเร็วทั้งหมด

บริษัทรถยนต์พลังงานใหม่ ได้แก่ BYD, GAC Aion, Dongfeng Landu, Great Wall, BAIC Jihu, Geely Krypton, Changan, Xpeng, Ideal, NIO, Leapmotor และบริษัทรถยนต์กระแสหลักอื่นๆ ในจีน และบริษัทระหว่างประเทศ ได้แก่ Porsche, Hyundai, บริษัทรถยนต์ชั้นนำ เช่น Audi, Mercedes-Benz และ Volkswagen กำลังเร่งการใช้งานโมเดลการชาร์จไฟฟ้าแรงสูงแบบเร็ว

คุณลักษณะของแบตเตอรี่ชาร์จเร็ว CATL 4C Shenxing

แกนหลัก: ข้อกำหนดทางเทคนิคการชาร์จอย่างรวดเร็วของแบตเตอรี่ Shenxing 4C ของ CATL คือการลดความต้านทานภายใน และรับประกันปฏิกิริยาทางเคมีที่รวดเร็ว แม่นยำ และมีเสถียรภาพ แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตต้นทุนต่ำ

แบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟเกินของ Shenxing สามารถบรรลุอัตราความล้มเหลวด้านความปลอดภัยของเซลล์ระดับ PPB (หนึ่งส่วนต่อพันล้าน)

จากนี้ไป CATL จะยังคงทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อลดต้นทุนของแบตเตอรี่ที่ชาร์จเกิน และทำให้เทคโนโลยีการชาร์จเกินเป็นคุณสมบัติมาตรฐานของรถยนต์ไฟฟ้าทุกคัน

แบตเตอรี่ที่ดีนั้นขึ้นอยู่กับวัสดุของแบตเตอรี่และระบบของแบตเตอรี่

ขั้วบวก: เทคโนโลยีวัสดุขั้วบวกของลิเธียมเหล็กฟอสเฟตคือเทคโนโลยีขั้วบวกของ Super Electronic Network ข้อกำหนดสำหรับการชาร์จอย่างรวดเร็วคือเพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาทางเคมีจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วบนอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบ ซึ่งรวดเร็ว แม่นยำ และมีเสถียรภาพ วัสดุแคโทดของลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีโครงสร้างโอลิวีนออร์โธฮอร์ฮอมบิก และความเร็วของการถอดออกนั้นจริง ๆ แล้วไม่เร็วเท่าของโครงสร้างชั้นที่ประกอบไปด้วยสามชั้น

แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของไตรภาคคือ 3.6-3.7V และของลิเธียมเหล็กคือ 3.2V การชาร์จและการคายประจุจะต้องเสร็จสิ้นภายใต้แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานโดยไม่คำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าภายนอก ภายใต้สภาวะแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน การเชื่อมต่อแบบอนุกรมของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กจะมีอัตราความล้มเหลวสูงกว่าการเชื่อมต่อแบบอนุกรมของแบตเตอรี่แบบไตรภาค เทคโนโลยีแคโทดเครือข่ายอัลตร้าอิเล็กทรอนิกส์เป็นโครงสร้างนาโนเต็มรูปแบบ และการแถลงข่าวไม่ได้อธิบายระดับและรายละเอียดของนาโนเทคโนโลยีโดยเฉพาะ

ขั้วลบ: วัสดุขั้วลบคือเทคโนโลยีวงแหวนไอออนเร็วรุ่นที่สองของกราไฟท์ CATL ได้ปรับเปลี่ยนโครงสร้างของกราไฟท์และสร้างเครือข่ายทางหลวงสำหรับการนำกระแสบนพื้นผิวและด้านในเพื่อให้แน่ใจว่ามีการแทรกซึมของลิเธียมไอออนและลดระยะการแทรกให้สั้นลง

คอขวดของการชาร์จแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วมักเป็นขั้วลบ ลิเธียมไอออนจะถูกบล็อกอย่างง่ายดายในขั้วลบและก่อตัวเป็นเดนไดรต์ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งานและความปลอดภัย ระดับความเชี่ยวชาญของเทคโนโลยีวัสดุขั้วลบจะกำหนดความสามารถของแบตเตอรี่ในการชาร์จอย่างรวดเร็ว การวิจัยทางเทคโนโลยีของหลายบริษัทมุ่งเน้นที่การวิจัยทางเทคโนโลยีของหลายบริษัทการเปลี่ยนแปลงและความก้าวหน้าของวัสดุขั้วลบ

อิเล็กโทรไลต์: ในแง่ของอิเล็กโทรไลต์ CATL ใช้สูตรอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงเป็นพิเศษ สูตรนี้จะเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า ลดความหนืดของอิเล็กโทรไลต์ เพิ่มความสามารถในการละลายของลิเธียมไอออน และปล่อยลิเธียมไอออน ขั้วบวกและขั้วลบเป็นของแข็ง และลิเธียมไอออนกระจัดกระจายระหว่างอิเล็กโทรด เจาะและละลายในอิเล็กโทรไลต์ แล้วละลายออก อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้เป็นตัวทำละลายและตัวพาจะต้องมี “เนื้อเนียน” เพียงพอ

ตัวคั่น: ในแง่ของตัวคั่น CATL ใช้เมมเบรน SEI บางพิเศษ (เมมเบรนส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็ง) และเมมเบรนแยกที่มีรูพรุนสูง ฟิล์ม SEI บางเฉียบที่ได้รับการปรับปรุงประสิทธิภาพ การลดความต้านทานที่จำกัด ลิเธียมไอออนสามารถผ่านได้อย่างรวดเร็ว

ปรับปรุงความพรุนของตัวคั่น รูพรุนที่บิดเบี้ยวต่ำ และอัตราการส่งเฟสของเหลวลิเธียมไอออนเพื่อให้ได้ความเร็วในการชาร์จที่บินได้ บนทางหลวงที่มีขั้วไฟฟ้าบวกและลบ ETC จะถูกเพิ่มเข้าไปในสถานีเก็บค่าผ่านทางเพื่อให้ลิเธียมไอออนผ่านตัวคั่นได้เร็วเท่ากับผ่านอิเล็กโทรไลต์

โอกาสและความท้าทายของเครื่องชาร์จแบบชาร์จเร็ว

การชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าอย่างรวดเร็วต้องใช้ความสามารถในการชาร์จในอัตราที่สูง และต้องใช้เครื่องชาร์จเพื่อให้มีกำลังชาร์จสูง

สถานการณ์ปัจจุบัน: ปัจจุบันเครื่องชาร์จแบบชาร์จเร็วมีอยู่แล้วในตลาด แต่ความเร็วในการชาร์จยังช้ากว่าปั๊มน้ำมันแบบเดิมมาก เครื่องชาร์จเร็ว DC ที่มีสถานีชาร์จจำนวนมากที่สุดในประเทศจีน มีกำลัง 80kW และ 160kW กระแสไฟชาร์จสูงสุดของเครื่องชาร์จ 160kW คือ 250A และแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จสูงสุดคือ 750V

ในปัจจุบัน กำลังชาร์จของเเครื่องชาร์จโดยทั่วไปไม่สามารถตอบสนองความต้องการของรุ่นซุปเปอร์ชาร์จ 800V ได้ การเกิดขึ้นของแบตเตอรี่ซุปเปอร์ชาร์จลิเธียมเหล็กฟอสเฟต 4C อาจก่อให้เกิดเเครื่องชาร์จแบบชาร์จเร็วรุ่นใหม่ เเครื่องชาร์จเหล่านี้สามารถชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าจนเต็มได้ภายในสิบนาที ซึ่งช่วยเพิ่มความสะดวกสบายได้อย่างมาก หากรุ่นซุปเปอร์ชาร์จ 800V กลายเป็นกระแสหลักของตลาดในอนาคต การอัพเกรดตลาดเสาเข็มชาร์จเป็นพลังงานสูง/ไฟฟ้าแรงสูงจะกลายเป็นหนึ่งในเทรนด์ของอุตสาหกรรม

การตระหนักถึงการชาร์จแบบเร็วด้วยไฟฟ้าแรงสูงนั้นเป็นโครงการระบบที่ค่อนข้างซับซ้อนซึ่งจำเป็นต้องมีการประสานงานในการอัพเกรดยานพาหนะ เสาเข็ม และขั้วกริด ซึ่งจะนำการอัพเกรดทางเทคโนโลยีมาสู่ห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่หลากหลายมากขึ้น เช่น รถยนต์ แบตเตอรี่ เเครื่องชาร์จ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และ กริดไฟฟ้า โมดูลการชาร์จเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของเครื่องชาร์จ ซึ่งคิดเป็น 40%-50% ของต้นทุนทั้งหมดของเครื่องชาร์จ เสาเข็มชาร์จจำเป็นต้องได้รับการอัพเกรดเป็นไฟฟ้าแรงสูงและกำลังสูง และโมดูลการชาร์จจะมีบทบาทสำคัญ

ในปัจจุบัน ความต้องการเสาเข็มชาร์จยังคงได้รับแรงหนุนหลักจากอัตราการเจาะที่เพิ่มขึ้นของรถยนต์ไฟฟ้า การพัฒนาสิ่งอำนวยความสะดวกการชาร์จสาธารณะที่ไม่สม่ำเสมอ และตัวขับเคลื่อนนโยบาย

เมื่อนำมารวมกัน อุตสาหกรรมพลังงานใหม่คืออุตสาหกรรมที่เทคโนโลยีเกิดขึ้นต่อๆ กัน วงจรการวนซ้ำของผลิตภัณฑ์และเทคโนโลยีกำลังสั้นลงเรื่อยๆ ซึ่งทำให้เกิดข้อกำหนดใหม่สำหรับวัสดุต้นน้ำและสิ่งอำนวยความสะดวกเสริมขั้นปลายน้ำ การส่งเสริมและการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีใหม่ๆ จำเป็นต้องมีโครงสร้างพื้นฐานที่รองรับอย่างสมบูรณ์ คำแนะนำทางเทคนิค การขับเคลื่อนนโยบาย การให้ประโยชน์แก่ประชาชน และการสร้างประโยชน์แก่คนรุ่นต่อๆ ไป เป็นสิ่งที่ส่งเสริมซึ่งกันและกัน