ความปลอดภัยของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า: การแลกเปลี่ยนระหว่างความหนาแน่นและการชาร์จเร็ว

เหตุเพลิงไหม้รถยนต์ไฟฟ้าหลายครั้งในเดือนตุลาคม รวมถึงรถยนต์ระดับไฮเอนด์อย่าง Xiaomi SU7 Ultra, NIO ET7, Li Auto MEGA, Mercedes-Benz EQE และ Porsche Taycan ได้ทำให้ความปลอดภัยของแบตเตอรี่กลับมาเป็นประเด็นสำคัญอีกครั้ง ข้อมูลและหลักฐานแสดงให้เห็นว่าการแข่งขันเพื่อประสิทธิภาพ ตั้งแต่ความหนาแน่นพลังงานสูงไปจนถึงการชาร์จเร็วพิเศษ กำลังเกิดขึ้นโดยแลกมาด้วยเสถียรภาพทางความร้อนและจำเป็นต้องมีการจัดการความเสี่ยงที่เข้มงวดยิ่งขึ้น (ข้อมูลจาก 36kr.com)

ความหนาแน่นของพลังงานสูง: ข้อได้เปรียบของช่วง เสถียรภาพทางความร้อนจากแรงดัน

การเปลี่ยนผ่านจากวัสดุลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LFP) ไปเป็นวัสดุลิเธียมเทอร์นารี (NCM/NCA) บวก ทำให้ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นและช่วงการทำงานขยายกว้างขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับ LFP ซึ่งมีโครงสร้างผลึกที่เสถียรและปล่อยออกซิเจนได้ยาก วัสดุที่มีนิกเกิลสูงจะลดความเสถียรทางความร้อนลง

ประสบการณ์ในตลาดบังคับให้อุตสาหกรรมต้องปรับตัว: หลังจากเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับ NCM 811 (GAC Aion S ในปี 2020; General Motors เรียกคืนรถยนต์เกือบ 70,000 คันในปี 2021 เนื่องจากความเสี่ยงสูงต่อแบตเตอรี่นิกเกิล LG Chem จ่ายค่าชดเชย 1 พันล้านดอลลาร์) อัตราส่วน NCM ยอดนิยมได้เปลี่ยนไปเป็น 5-2-3/6-2-2 เพื่อสมดุลระหว่างสมรรถนะและความปลอดภัย แบตเตอรี่ LFP ยังคงพบเห็นได้ทั่วไปในกลุ่มรถยนต์ราคาต่ำกว่า 200,000 หยวนเนื่องจากต้นทุน ในขณะที่แบตเตอรี่สามส่วนประกอบถูกใช้สำหรับรถยนต์ระดับกลางและระดับสูง (ตัวอย่างเช่น Tesla ใช้แบตเตอรี่สามส่วนประกอบสำหรับรุ่นระยะไกล และ LFP สำหรับรุ่นมาตรฐาน)

จาก 18650 ถึง 4680 จากนั้น CTP/CTC: ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรและความเสี่ยงของเซลล์ขนาดใหญ่

นอกจากวัสดุแล้ว การปรับปรุงทางสถาปัตยกรรมยังช่วย “บีบอัด” พลังงานให้อยู่ในปริมาตรเท่าเดิมอีกด้วย Tesla Model S รุ่นแรกใช้โครงสร้างแบบเซลล์-โมดูล-แพ็ค โดยแต่ละโมดูลประกอบด้วยเซลล์ 18650 ประมาณ 444 เซลล์ พร้อมระบบ BMS และท่อระบายความร้อนในตัว แพ็คหนึ่งสามารถมีโมดูลได้ 16 โมดูล โดยใช้วัสดุทนไฟ แนวโน้มนับตั้งแต่นั้นมาคือการลดและกำจัดโมดูล (CTP – Cell to Pack) และผสานรวมอย่างลึกซึ้ง (CTC – Cell to Chassis)

ขนาดเซลล์ทรงกระบอกเพิ่มขึ้นจาก 18650 เป็น 21700 และ 4680 เซลล์ BYD ได้ปรับปรุง Blade ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยเพิ่มอัตราการใช้ประโยชน์เชิงปริมาตรขึ้นประมาณ 50% ทำให้ความจุเซลล์เพิ่มขึ้นจาก 135 Ah เป็นมากกว่า 200 Ah CATL ร่วมกับ Qilin ผลักดันอัตราการใช้ประโยชน์เชิงปริมาตรให้เพิ่มขึ้นเป็น 72% ซึ่งสูงกว่าเป้าหมาย 4680 เซลล์ที่ 63% โซลูชัน CTC จะเริ่มผลิตจำนวนมากตั้งแต่ปี 2022 ถึง 2023 ตามลำดับ

ข้อเสีย: เซลล์ความจุสูงเมื่อเกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในสามารถกระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็ว ก่อให้เกิดจุดร้อนและปฏิกิริยาลูกโซ่ความร้อนที่รุนแรงขึ้น ดังนั้น ระยะเวลาตั้งแต่เกิดควันจนถึงการติดไฟจึงสั้นมากและควบคุมได้ยาก นอกจากเซลล์แล้ว กระบวนการบรรจุภัณฑ์ก็เป็นจุดเสี่ยงเช่นกัน: NIO ได้เรียกคืนรถยนต์ ES8 จำนวน 4,803 คันในปี 2019 เนื่องจากการเดินสายไฟฟ้าแรงสูงในบรรจุภัณฑ์ไม่ถูกต้อง

การแข่งขันชาร์จเร็ว 800V–10C: ประสบการณ์ที่ดีกว่า ขอบเขตความปลอดภัยที่แคบลง

กำลังชาร์จ = แรงดันไฟฟ้า × กระแสไฟฟ้า รถยนต์ 400 โวลต์รุ่นแรกมีอัตราการชาร์จต่ำกว่า 1 องศาเซลเซียส เทสลาค่อยๆ เพิ่มกำลังของซูเปอร์ชาร์จเจอร์จาก 90 กิโลวัตต์ (V1) เป็น 250 กิโลวัตต์ (V3) ส่งผลให้ระยะทางวิ่งเพิ่มขึ้นประมาณ 250 กิโลเมตรหลังจากชาร์จ 15 นาที และที่อัตรา 2–2.5 องศาเซลเซียส

Porsche Taycan เป็นผู้บุกเบิกแพลตฟอร์ม 800V ที่มีกำลังชาร์จเร็ว 270 กิโลวัตต์ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าช่วยลดการสูญเสียกระแสไฟฟ้าและความร้อน ช่วยเพิ่มความปลอดภัยในระหว่างการชาร์จด้วยกำลังสูง ผู้ผลิตในจีนจึงพัฒนาแพลตฟอร์ม 800V อย่างรวดเร็ว โดยเพิ่มความจุของแบตเตอรี่เป็น 4 องศาเซลเซียสหรือมากกว่า ส่งผลให้มีกำลังชาร์จเกิน 400 กิโลวัตต์ออกสู่ตลาด ในปี 2023 Li Auto MEGA ได้ประกาศใช้ CATL Qilin 5C ซึ่งมีกำลังชาร์จสูงสุดมากกว่า 500 กิโลวัตต์ BYD ระบุว่าสามารถชาร์จได้ที่อุณหภูมิ 10 องศาเซลเซียส ซึ่ง "เพียงพอสำหรับระยะทาง 600 กิโลเมตรใน 10 นาที" จากการทดสอบในอุตสาหกรรม พบว่ากระแสไฟสูงสุด 10 องศาเซลเซียสนั้นใช้งานได้เพียงระยะเวลาสั้นๆ เท่านั้น

ในทางกลับกัน ความต้องการด้านฉนวน การป้องกัน และการดับอาร์กก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก กระแสไฟฟ้าลัดวงจรทันทีจะสูงขึ้น และปฏิกิริยาความร้อนอาจรุนแรงขึ้น ที่กระแสไฟฟ้าสูง ลิเธียมไอออนจะฝังตัว/แยกตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดความร้อนและส่งเสริมเดนไดรต์ ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง จากรายงานของ Li Bin (NIO) ในเดือนกันยายน การมุ่งสู่ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ต้องแลกมาด้วยต้นทุนบางอย่าง รวมถึงอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ NIO ใช้การชาร์จแบบช้าที่สถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่ โดยตั้งเป้าอายุการใช้งานไว้ที่ 85% ภายใน 15 ปี "ลองนึกภาพว่าหลังจากใช้รถยนต์มา 8 ปี คุณต้องเสียเงิน 80,000 หรือ 100,000 หยวน (11-14,000 ดอลลาร์สหรัฐ) เพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่... นี่เป็นค่าใช้จ่ายที่สูงเกินกว่าจะยอมรับได้"

หลักชัยในการชาร์จเร็วและฐานแรงดันไฟ (ตามแหล่งที่มา)

ระบบ/ยานพาหนะ	กราวด์/แรงดันไฟฟ้า	กำลังไฟสูงสุด	บันทึก
เทสลา ซูเปอร์ชาร์จเจอร์ V1 → V3	~400โวลต์	90 กิโลวัตต์ → 250 กิโลวัตต์	~250 กม./15 นาที; ความเร็ว 2–2.5 องศาเซลเซียส
ปอร์เช่ ไทคานน์	800โวลต์	270 กิโลวัตต์	ลดการสูญเสียกระแสไฟฟ้าและความร้อน
บริษัทจีนหลายแห่ง	800โวลต์	>400 กิโลวัตต์	แบตเตอรี่ 4C ขึ้นไป
Li Auto MEGA + CATL Qilin 5C	800โวลต์	>500 กิโลวัตต์	ประกาศในปี 2023
เครื่องชาร์จ BYD 10C	-	-	10 นาที ~600 กม. กระแสไฟ 10C สั้นมาก (ตามการทดสอบในอุตสาหกรรม)

โซลูชันทางเทคนิคในปัจจุบัน: การระบายความร้อน การแยกความร้อนและไฟฟ้า การเพิ่มประสิทธิภาพ BMS

ก่อนที่แบตเตอรี่โซลิดสเตตจะเข้าสู่ระดับอุตสาหกรรม การเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่แบบของเหลวยังคงเป็นทิศทางหลัก:

CATL Qilin วางแผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวไว้ระหว่างเซลล์เพื่อเพิ่มการแลกเปลี่ยนความร้อน จัดเรียงวาล์วระบายความดันไว้ที่ด้านล่างของเซลล์ แยกจากขั้วบวก/ลบที่ด้านบนเพื่อ "แยกความร้อนและไฟฟ้า"
อิเล็กโทรดลบเคลือบกราไฟต์ละเอียดช่วยเร่งการแช่ไอออน รองรับการชาร์จเร็ว และลดความเสี่ยงของ "การชุบลิเธียม"
รูปทรงที่ยาวและบางของ BYD Blade มีประโยชน์ในการระบายความร้อน โครงสร้างที่หนาแน่นช่วยเสริมโครงสร้างให้แข็งแรง ลดความจำเป็นในการใช้คานขวาง/คานตามยาวแบบเดิม อย่างไรก็ตาม ยังคงมีความกังวลเกี่ยวกับการโค้งงอของเซลล์ที่ยาวเป็นพิเศษเมื่อเกิดอุบัติเหตุ
BMS ได้รับการปรับปรุงด้วยการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิ การตัดวงจร และการแจ้งเตือนแบบเรียลไทม์เมื่อเกิดความผิดปกติ อย่างไรก็ตาม การลัดวงจรทันทีอาจเกินความเร็วในการสุ่มตัวอย่าง/การตอบสนอง

แบตเตอรี่โซลิดสเตต: ศักยภาพสูง อุปสรรคสูง

แบตเตอรี่โซลิดสเตตได้รับการพัฒนามาเป็นเวลาสามทศวรรษแล้ว แต่ยังไม่สามารถเข้าถึงการผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้ เนื่องจากความท้าทายด้านการวิจัยและพัฒนา กระบวนการ และต้นทุนในการเปลี่ยนจากระบบนิเวศแบตเตอรี่แบบของเหลวที่มีอยู่เดิม ผู้ผลิตรถยนต์และผู้ผลิตแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ยังไม่พร้อมที่จะลงทุนครั้งใหญ่ในเวลานี้

สรุป: ไม่มีความปลอดภัยที่แน่นอน มีเพียงการเรียนรู้เท่านั้น

ชุดแบตเตอรี่ที่สมดุลคือการผสมผสานระหว่างวัสดุ สถาปัตยกรรม กระบวนการ และ BMS ในการแข่งขันเพื่อประสิทธิภาพ การลงทุนด้านความปลอดภัยต้องเพิ่มขึ้นอย่างสมดุล และข้อมูลที่ผู้ใช้ต้องเปิดเผยต้องตรงไปตรงมา หลีกเลี่ยงการปกปิดความแตกต่างด้านความเสี่ยง

ผู้ผลิตมีเป้าหมายที่จะลดอัตราความล้มเหลวให้เหลือเพียง ppb (ส่วนในพันล้านส่วน) อย่างไรก็ตาม สำหรับผู้ใช้ อุบัติเหตุ "หนึ่งในพันล้านส่วน" ก็ยังคงเกิดขึ้น 100% อุบัติเหตุแต่ละครั้งเป็นทั้งสัญญาณเตือนและข้อมูลสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพ เช่นเดียวกับที่ Tesla ปรับปรุง BMS ผ่านการเผาไหม้ที่เกิดขึ้นเองในระยะแรก ผู้ผลิตรถยนต์และแบตเตอรี่ของจีนก็กำลังดำเนินการตามแนวทางการเรียนรู้และพัฒนาที่คล้ายคลึงกัน