แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนนำรถยนต์ไฟฟ้ากลับมาได้อย่างไร?

ในปี 1900 รถยนต์ในสหรัฐอเมริกา 28% เป็นรถไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้พลิกผันชัยชนะร้อยปีของน้ำมันเบนซินในที่สุด
ในปี 1900 รถยนต์ในสหรัฐอเมริกา 28% เป็นรถไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้พลิกผันชัยชนะร้อยปีของน้ำมันเบนซินในที่สุด

แชร์หน้านี้

แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนคือเคมีแบตเตอรี่ที่ทำให้รถยนต์ไฟฟ้าสมัยใหม่เป็นไปได้ในทางเทคนิค ด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูงและต้นทุนที่ลดลง จึงแก้ปัญหาระยะทางและน้ำหนักที่ตามหลอกหลอนรถยนต์ไฟฟ้ามาเป็นร้อยปี บทความนี้เล่าเรื่องราวตั้งแต่ทศวรรษ 1890 ถึงปี 1991 และวิธีที่การปฏิวัติครั้งนี้หล่อหลอมรถยนต์ขึ้นใหม่

จุดเด่น

  • ในปี 1900 รถยนต์ในสหรัฐอเมริกา 28% เป็นรถไฟฟ้า แต่เบนซินเป็นฝ่ายชนะการแข่งขัน
  • แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนเชิงพาณิชย์ชุดแรกวางจำหน่ายโดย Sony ในปี 1991
  • ต้นทุนลิเธียม-ไอออนลดลงจาก ราว 9,200 ดอลลาร์ เหลือ 78 ดอลลาร์ต่อ kWh
  • Tesla Roadster (2008): ระยะทางตามมาตรฐาน EPA 393 กม. และอัตราเร่ง 0-100 กม./ชม. ใน 3.9 วินาที

รถยนต์ไฟฟ้าจริง ๆ แล้วเริ่มก่อนเบนซินหรือ?

ตรงข้ามกับที่ผู้อ่านหลายคนคิด คำตอบคือใช่ ประวัติศาสตร์ของรถยนต์ไฟฟ้าเริ่มต้นในยุคเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายในเกือบจะเป๊ะ และในครึ่งศตวรรษแรกไฟฟ้าไม่ใช่เทคโนโลยีที่ถูกแบนจากสังคมเลย ระหว่างปี 1827-1828 พระภิกษุชาวฮังการี Ányos Jedlik สร้างมอเตอร์ไฟฟ้าตัวแรกและขับเคลื่อนรถยนต์โมเดลขนาดเล็ก ระหว่างปี 1832-1839 Robert Anderson ชาวสกอตพัฒนารถไฟฟ้าแบบเรียบง่ายขึ้น แต่เซลล์กัลวานิกยังชาร์จไม่ได้ในขณะนั้น หมายความว่ายานพาหนะเคลื่อนที่ด้วยแหล่งพลังงานแบบใช้ครั้งเดียว ในปี 1837 Robert Davidson สร้างต้นแบบรถจักรไฟฟ้าคันแรกที่เมือง Aberdeen รุ่นขยายขนาด Galvani ในปี 1841 ลากน้ำหนัก 6 ตันด้วยความเร็ว 4 ไมล์ต่อชั่วโมง เป็นระยะทาง 1.5 ไมล์ คนงานรถไฟทำลายเครื่องจักรด้วยความกลัวว่าจะต้องตกงาน - นี่คือการต่อต้านเทคโนโลยีครั้งแรกที่เกิดขึ้นในยุคเช่นนั้น

จุดเปลี่ยนมาถึงในปี 1859: แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดของ Gaston Planté ทำให้การกักเก็บพลังงานที่ชาร์จซ้ำได้ในยานพาหนะเป็นไปได้เป็นครั้งแรก เคมีนี้พิสูจน์แล้วว่าแข็งแกร่งมากจนถึงทุกวันนี้ยังคงใช้ในแบตเตอรี่ของยานพาหนะเครื่องยนต์สันดาปภายใน Thomas Parker เปิดใช้งานรถรางไฟฟ้าในอังกฤษราวปี 1884 และผลิตรถยนต์ไฟฟ้าต้นแบบ

จาก Morrison สู่ Jenatzy: ยุคทองครั้งแรก

จุดอ้างอิงฝั่งสหรัฐอเมริกาคือ William Morrison ในปี 1890 เขายื่นจดสิทธิบัตรรถยนต์ไฟฟ้าของเขาที่ Des Moines, Iowa ยานพาหนะลำนี้ขับเคลื่อนล้อหน้า ผลิตกำลัง 4 แรงม้า วิ่งได้ 20 mph และด้วยเซลล์แบตเตอรี่ 24 เซลล์ ต้องชาร์จหลังวิ่งได้ 50 ไมล์ มันสร้างความฮือฮาในงาน Chicago World's Fair ปี 1893 ที่ Philadelphia Salom และ Morris จดสิทธิบัตร Electrobat ในปี 1894 ถึงปี 1896 มันนำเสนอระยะทาง 25 ไมล์ด้วยมอเตอร์ 1.1 kW สองตัว และในปีเดียวกันนั้นเองก็ชนะการแข่งสปรินต์ระยะ 5 ไมล์เทียบกับรถยนต์เบนซิน Duryea

ตัวเลขแสดงความนิยมของยุคแรกนี้ได้อย่างชัดเจน: ในปี 1900 รถยนต์บนถนนในสหรัฐอเมริกา 28% เป็นรถไฟฟ้า หนึ่งในสามของรถยนต์ 160 คันที่จัดแสดงในงานแสดงรถยนต์ครั้งแรกเป็นรถไฟฟ้า สำหรับการใช้งานในเมือง ไฟฟ้ามีข้อได้เปรียบจริง ๆ - เงียบ สะอาด สตาร์ทได้ทันทีที่หมุนกุญแจ และพังยาก ในปี 1899 Camille Jenatzy กลายเป็นคนแรกที่ทำลายกำแพง 100 กม./ชม. และ 60 mph ด้วย La Jamais Contente ที่มีมอเตอร์ 25 kW คู่และตัวถังจากโลหะผสมอลูมิเนียม partinium ในนิวยอร์ก Electric Vehicle Company เดินรถแท็กซี่ไฟฟ้ากว่า 600 คันโดยใช้สถานีเปลี่ยนแบตเตอรี่; บริการแท็กซี่ไฟฟ้าแห่งแรกก่อตั้งขึ้นในลอนดอนเมื่อปี 1897

ทำไมเบนซินถึงชนะ? กายวิภาคของการแข่งขันระหว่างรถไฟฟ้ากับรถเบนซิน

ความพ่ายแพ้ครั้งแรกของยานยนต์ไฟฟ้าไม่ใช่ความพ่ายแพ้ด้านสมรรถนะ แต่เป็นความพ่ายแพ้ด้านเศรษฐศาสตร์วิศวกรรม มีปัจจัยกดดันสี่ประการ และทั้งหมดวัดผลได้:

  • ต้นทุน: รถไฟฟ้าแพงกว่ารถเบนซินเกือบเท่าตัว และถูกจัดเป็นสินค้าหรูหรา ในปี 1908 Ford Model T ราคา 850 ดอลลาร์ ขณะที่รถไฟฟ้าส่วนใหญ่ขายอย่างน้อยสองเท่าของราคานั้น; เมื่อ Model T ราคาลงมาต่ำกว่า 300 ดอลลาร์ในปี 1923 รถไฟฟ้าจำนวนมากแพงกว่าถึงสิบเท่า
  • ระยะทางและการกักเก็บพลังงาน: ถังน้ำมันสำรองเบากว่าแบตเตอรี่สำรองมาก - แก่นของปัญหาคืออัตราส่วนมวลนี่เอง
  • โครงสร้างพื้นฐาน: ในชนบทที่ไม่มีไฟฟ้าไม่มีทางเลือกในการชาร์จ; ส่วนเบนซินเป็นพลังงานกักเก็บที่ขายได้ทุกที่
  • ระบบสตาร์ท: มอเตอร์สตาร์ทไฟฟ้าของ Charles Kettering ในปี 1912 (ใน Cadillac รุ่นแรก) ขจัดหมุนตัวสตาร์ทด้วยมือ และลบล้างข้อได้เปรียบหลักด้านการใช้งานของรถไฟฟ้า

สรุปเป็นประโยคเดียว ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดไม่สามารถตอบสนองความต้องการด้านมวลและระยะทางของยานยนต์ได้ อย่างไรก็ตาม Detroit Electric ยังผลิตรถยนต์ได้มากกว่า 35,000 คันระหว่างปี 1907-1939; Clara Ford ภรรยาของ Henry Ford ใช้รถ Detroit Electric ระหว่างปี 1908-1914 ในอังกฤษ รถขนส่งนมไฟฟ้า "milk float" ทำงานต่อไปจนถึงทศวรรษ 1980 และประเทศนี้เป็น ผู้ใช้รถไฟฟ้าทางถนนรายใหญ่ที่สุดของโลกตลอดช่วงใหญ่ของศตวรรษที่ 20 - แต่รถเหล่านี้เป็นยานพาหนะที่มีภารกิจจำกัดเฉพาะ ไม่ใช่รถยนต์อเนกประสงค์

ความพยายามระหว่างทางในศตวรรษที่ยี่สิบ: แบตเตอรี่หนักเท่าไร ก็ไปได้เท่านั้น

ตั้งแต่ทศวรรษ 1920 เป็นต้นมา รถยนต์ไฟฟ้าถูกลดบทบาทแต่ไม่ได้สูญหายไปทั้งหมด; ทุกความพยายามพิสูจน์ซ้ำอีกครั้งว่าปัญหาอยู่ที่แบตเตอรี่เสมอ ในญี่ปุ่น Tama ปี 1947 ทำหน้าที่แท็กซี่ด้วยแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด ความเร็ว 20 mph และระยะทาง 40 ไมล์ Henney Kilowatt (1959-1960) เพิ่มแรงดันจาก 36 V เป็น 72 V ทำให้ไปถึงความเร็ว 60 mph และระยะทาง 60 ไมล์; แต่ก็มีการผลิตแชสซีเพียงประมาณ 100 ตัว และขายได้เพียง 47 คัน

การทดลอง Electrovair II ของ GM (1966) เป็นจุดข้อมูลที่แสดงความรุนแรงของสถานการณ์: แบตเตอรี่เงิน-สังกะสี แรงดันระบบ 532 V กำลัง 115 hp และระยะทาง 40-80 ไมล์ - แต่แบตเตอรี่ทนได้เพียง 100 รอบการชาร์จ และชุดแบตเตอรี่มีต้นทุน 160,000 ดอลลาร์ในมูลค่าเงินของปีนั้น ในปี 1971-72 ยานตรวจการณ์ดวงจันทร์ (LRV) รับใช้เป้าหมายที่ต่างออกไป นั่นคือความน่าเชื่อถือสูงสุด: ด้วยมอเตอร์ GM Delco และแบตเตอรี่เงิน-สังกะสีแบบชาร์จไม่ได้ ในงบประมาณ 38 ล้านดอลลาร์ หลังการห้ามส่งออกน้ำมันของ OPEC ปี 1973 ความสนใจกลับมาอีกครั้ง: Citicar ที่วางจำหน่ายในปี 1974 มีสมรรถนะเรียบง่ายด้วยกำลัง 2.5 hp และความเร็วราว 25 mph แต่ยอดผลิตรวม 4,444 คันทำให้มันเป็นรถยนต์ไฟฟ้าที่ขายดีที่สุดในอเมริกาจนถึงปี 2013 ทำให้บริษัทกลายเป็นผู้ผลิตยานยนต์ไฟฟ้ารายใหญ่ที่สุดของสหรัฐอเมริกาหลังสงครามโลก โปรโตไทป์ GM Electrovette ปี 1977 ใช้แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด วิ่งได้ 50 ไมล์ด้วยความเร็ว 30 ไมล์ต่อชั่วโมง; เมื่อราคาน้ำมันไม่เป็นไปตามคาดหมาย โครงการนี้จึงถูกลงลัง

GM EV1: ยานพาหนะที่เผชิญปัญหาแบตเตอรี่ก่อนเวลาอันควร

ข้อบังคับยานพาหนะไร้มลพิษของแคลิฟอร์เนียในทศวรรษ 1990 ทำให้เกิด EV ตัวจริงจังคันแรกจากผู้ผลิตรถยนต์ในยุคปัจจุบัน GM พัฒนาจากคอนเซ็ปต์ Impact สู่การผลิต และเริ่มให้เช่า EV1 ในปี 1996-97; ถึงมือผู้เช่าในปี 1997 โดยให้เช่าไปทั้งหมดประมาณ 1,000 คัน รุ่นแรกใช้แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด; ตัวเลือกนิกเกิล-เมทัลไฮไรด์ (NiMH) ที่มาทีหลังให้ระยะทาง 70-160 ไมล์ - เป็นก้าวที่น่าสังเกตในบรรดาเคมีแบตเตอรี่ยุคนั้น แต่ก็ยังไม่เพียงพอ

รถคันสุดท้ายผลิตในปี 1999; GM ยกเลิกโครงการในปี 2003 ด้วยเหตุผลเรื่องต้นทุนการผลิตที่สูงและตลาดที่เล็ก ยุติสัญญาเช่า นำรถคืน และทำลายรถส่วนใหญ่ เกิดการประท้วงจากประชาชน; Francis Ford Coppola เป็นหนึ่งในไม่กี่คนที่ได้เก็บรถของตัวเองไว้ได้ ว่าด้วยสิ่งใดที่กำหนดจุดจบของ EV1 แท้จริงแล้ว ยังเป็นที่ถกเถียงกันจนถึงทุกวันนี้: ในขณะที่ความเข้าใจแพร่หลายเน้นที่ต้นทุนและขนาดตลาด อีกมุมมองหนึ่งก็ชี้ไปที่วิกฤตการเงินของ GM ในปี 1992 และการเปลี่ยนผู้บริหาร (Jack Smith ขึ้นเป็น CEO) จุดร่วมคือ: เคมีแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดและ NiMH ไม่สามารถไปถึงความหนาแน่นพลังงานที่จะทำให้รถยนต์มีกำไรและใช้งานได้จริง ชิ้นส่วนที่ขาดหายไปคือลิเธียม-ไอออน

การปฏิวัติลิเธียม-ไอออนเริ่มต้นอย่างไร?

งานวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนตีพิมพ์ในทศวรรษ 1970; John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham และ Akira Yoshino แบ่งปันรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2019 จากงานวิจัยนี้ จุดพลิกผันเชิงพาณิชย์มาถึงในปี 1991: Sony เริ่มผลิตและจำหน่ายแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนแบบชาร์จได้ชุดแรกของโลกโดยใช้การออกแบบของ Yoshino - และผลิตภัณฑ์นี้เองที่ได้ชื่อว่า "ลิเธียม-ไอออน" แบตเตอรี่เข้าสู่กล้องก่อน จากนั้นจึงเข้าสู่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคอื่นๆ; ยานพาหนะไฟฟ้ายังไม่อยู่ในแผนที่ แต่แหล่งกักเก็บพลังงานที่จะทำให้มันเป็นไปได้นั้นผลิตแบบอุตสาหกรรมแล้ว

ตัวเลขในช่วงเริ่มต้นอธิบายด้วยตัวเลขว่าทำไมเทคโนโลยีนี้จึงได้เปรียบ เซลล์เชิงพาณิชย์แรกให้ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรราว 200 Wh/L - เกือบสองเท่าของระบบในยุคเดียวกัน ความหนาแน่นเชิงมวลพุ่งจากแถบ 100-120 Wh/kg ขึ้นไปเกิน 300 Wh/kg; นับตั้งแต่วางจำหน่าย ความหนาแน่นเชิงปริมาตรเพิ่มขึ้นสามเท่าในรอบสามทศวรรษ เส้นกราฟที่น่าทึ่งที่สุดคือด้านต้นทุน: แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนลดจากราว 9,200 ดอลลาร์ต่อ kWh เหลือ 78 ดอลลาร์ - ลดลงมากกว่า 99% การเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีส่วนใหญ่ให้ได้แม้เพียงประสิทธิภาพหรือการลดต้นทุนอย่างใดอย่างหนึ่ง; ลิเธียม-ไอออนทำได้ทั้งสองอย่างพร้อมกัน และนั่นก็เพียงพอที่จะเปลี่ยนโฉมรถยนต์

เกณฑ์การวัด1991 (เซลล์เชิงพาณิชย์แรก)หลายทศวรรษต่อมา
ต้นทุน (ต่อ kWh)ราว 9,200 ดอลลาร์78 ดอลลาร์
ความหนาแน่นพลังงานเชิงปริมาตรราว 200 Wh/Lเพิ่มขึ้นสามเท่า
ความหนาแน่นเชิงมวล100-120 Wh/kgเกิน 300 Wh/kg
ผู้ใช้ EV บนทางหลวงคันแรกที่ถูกกฎหมายNissan Altra EV (1998)

จากห้องทดลองสู่รถยนต์: เส้นทางที่ต่อเนื่องจาก tzero ถึง Tesla Roadster

เมื่อเซลล์ลิเธียมไอออนจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคกลายเป็นของที่เข้าถึงได้ วิศวกรยานยนต์ก็เป็นกลุ่มแรก ๆ ที่จับตามองสิ่งนี้ ในปี 1997 บริษัท AC Propulsion ของ Alan Cocconi เปิดตัวtzero: กำลัง 150 kW (201 แรงม้า) พร้อมแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด Martin Eberhard สั่งซื้อ tzero ที่ใช้ลิเธียมไอออน; ผลลัพธ์คือ 0-60 mph ใน 3.7 วินาที - โดยมีต้นทุนประมาณ 220,000 ดอลลาร์ ต้นแบบนี้เป็นหลักฐานว่ารถสปอร์ตลิเธียมไอออนที่ผลิตน้อยแต่ราคาสูงนั้นสามารถทำตลาดได้

ในปี 2003 Eberhard และ Marc Tarpenning ก่อตั้ง Tesla Motors; Elon Musk พยายามโน้มน้าว AC Propulsion ให้เข้าสู่การผลิตก่อน จากนั้นจึงลงทุนใน Tesla ในปี 2008 การผลิตTesla Roadsterเริ่มต้นขึ้น: รถสปอร์ตไฟฟ้าผลิตจำนวนมากคันแรกของโลกที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน รุ่นแรกใช้ระบบขับเคลื่อนที่ได้ลิขสิทธิ์จาก AC Propulsion และสร้างบนส่วนประกอบของ Lotus Elise ตารางข้อมูลทางเทคนิคมีดังนี้:

  • ระยะทางตามมาตรฐาน EPA: 244 ไมล์ (393 กม.) - เป็นหนึ่งในรถผลิตจริงคันแรกที่แสดงระยะทางเกิน 200 ไมล์
  • 0-100 กม./ชม.: 3.9 วินาที; 288 แรงม้า
  • แพ็ก: ลิเธียมไอออน 53 kWh
  • การผลิต: มากกว่า 2,400 คันระหว่างปี 2008-2012; ราคาปี 2010 อยู่ที่ 109,000 ดอลลาร์
  • ความทนทาน: คาดว่าแพ็กเฉลี่ยจะยังคงความจุเริ่มต้นไว้ได้ 80-85% หลังจากวิ่งครบ 100,000 ไมล์

สิ่งที่ Roadster มีส่วนร่วมที่แท้จริงไม่ใช่เทคโนโลยี แต่เป็นหลักฐาน: ระยะทางจริง ประสิทธิภาพจริง และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยอมรับได้ สามารถอยู่ร่วมกันได้ในรถคันเดียวด้วยแพ็กลิเธียมไอออน ในปี 2011 Nissan Leaf เปิดตัวด้วยแพ็กลิเธียมไอออน 24.0 kWh ในฐานะรถ EV แพลตฟอร์มเฉพาะคันแรกจากผู้ผลิตรายใหญ่ และกลายเป็นรถไฟฟ้าเต็มรูปแบบขายดีที่สุดในประวัติศาสตร์ที่ทำยอดขายเกิน 300,000 คันเมื่อเดือนมกราคม 2018; ต่อมา Tesla Model 3 ได้ทำลายสถิตินี้ ส่วนประสบการณ์วิศวกรรมที่เหลือจาก EV1 ยังคงดำเนินต่อไปในรุ่น Chevrolet Volt และ Bolt

แล้ววันนี้การเปลี่ยนแปลงครั้งนี้ไปถึงตรงไหนแล้ว?

Bugünün 10 milyon elektrikli aracı, 1991'de bir kamera bataryasıyla başlayan zincirin uzantısıdır.

การที่ลิเธียมไอออนปรับโฉมอุตสาหกรรมยานยนต์วัดกันที่สเกล: เมื่อสิ้นสุดปี 2020 ยอดขายรถไฟฟ้าปลั๊กอินระดับเบาสะสมทะลุ 10 ล้านคัน เส้นต้นทุนยังคงลดลงต่อเนื่อง - ราคาแพ็กแบตเตอรี่คาดว่าจะลดมาถึงระดับราว 80 ดอลลาร์/kWh ภายในปี 2026; ในปี 2025 แพ็กที่ใช้เคมี LFP ถูกกว่าทางเลือกเคมีอื่นเฉลี่ยมากกว่า 40% ต่อ kWh บทแรกของการปฏิวัตินี้เขียนด้วยลิเธียมไอออน; ส่วนบทถัดไปจะเขียนด้วยแบตเตอรี่โซลิดสเตต (solid-state) หรือไม่นั้น ยังเป็นคำถามทางวิศวกรรมที่ยังเปิดอยู่

บทสรุป: การปฏิวัติด้านฮาร์ดแวร์ทำให้การปฏิวัติด้านตลาดเป็นไปได้อย่างไร?

รถยนต์ไฟฟ้ามีส่วนแบ่งตลาดในปี 1900 แต่แบตเตอรี่ในยุคนั้นรักษาส่วนแบ่งนั้นไว้ไม่ได้; GM EV1 ผลิตผลิตภัณฑ์ออกมาได้ แต่แบตเตอรี่แบกรับความสามารถในการทำกำไรไว้ไม่ไหว ลิเธียมไอออนข้ามเส้นตายทั้งสองข้อได้: ความหนาแน่นพลังงานแก้ปัญหาระยะทาง เส้นต้นทุนแก้ปัญหาราคา Tesla Roadster เป็นรถคันแรกที่จุดตัดของสองเส้นกราฟนี้บรรจบกัน; กองยานยนต์ 10 ล้านคันในวันนี้ คือส่วนต่อขยายของห่วงโซ่ที่เริ่มต้นด้วยแบตเตอรี่กล้องเมื่อปี 1991 ฮาร์ดแวร์มาก่อน ตลาดตามมาทีหลัง - ลำดับเป็นเช่นนี้เสมอ ไม่เคยเป็นทางกลับมา

แหล่งที่มา