คู่มือการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างครบวงจร: การประยุกต์ใช้ด้านพลังงาน ผู้บริโภค และระบบจัดเก็บพลังงาน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถแบ่งได้ตามการประยุกต์ใช้งานขั้นปลาย เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับผู้บริโภคขนาดเล็ก (3C) แบตเตอรี่ลิเธียมเพื่อการขับเคลื่อน และแบตเตอรี่ระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่

I. แบตเตอรี่พลังงาน

แบตเตอรี่พลังงานคือ แบตเตอรี่ที่จ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ขับเคลื่อนต่างๆ และในปัจจุบันถือเป็นกลุ่มการใช้งานที่กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในยานยนต์พลังงานใหม่ เครื่องมือไฟฟ้า จักรยานยนต์ไฟฟ้า และอื่นๆ อีกมากมาย แบตเตอรี่พลังงานยังจัดเป็นแบตเตอรี่เก็บพลังงานชนิดหนึ่ง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า เนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาดและน้ำหนักของยานยนต์ รวมถึงความต้องการด้านการเร่งความเร็ว ทำให้แบตเตอรี่พลังงานมีข้อกำหนดด้านสมรรถนะที่สูงกว่าแบตเตอรี่เก็บพลังงานทั่วไป ซึ่งได้แก่ ความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้น ความเร็วในการชาร์จที่เร็วกว่า และกระแสไฟขณะปล่อยพลังงานที่มากกว่า ในขณะที่แบตเตอรี่เก็บพลังงานทั่วไปไม่มีข้อกำหนดเข้มงวดเช่นนี้

1.ลักษณะของสินค้า

สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประเภทให้พลังงาน จำเป็นต้องพิจารณาเพิ่มเติมในด้านความเร็วในการชาร์จ ระยะทางการขับขี่ ความน่าเชื่อถือ และความสม่ำเสมอ เนื่องจากมีข้อกำหนดการใช้งานระยะยาว (อย่างน้อย 5-10 ปี) ความหนาแน่นของพลังงาน: ชุดแบตเตอรี่คิดเป็นน้ำหนักประมาณ 25% ของน้ำหนักรถยนต์ การเปลี่ยนแปลงน้ำหนักของแบตเตอรี่ส่งผลโดยตรงต่อการบริโภคพลังงานของรถ สำหรับปริมาณประจุไฟฟ้าเท่ากัน ชุดแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าจะทำให้ระยะทางการขับขี่ยาวนานขึ้น ความเร็วในการชาร์จ: ความเร็วในการชาร์จยังเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่กำลังไฟในปัจจุบัน ผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่กำลังออกแบบอัตราการชาร์จระหว่าง 4C ถึง 6C หรือแม้แต่สูงกว่านั้น เพื่อลดเวลาการรอคอยของผู้ใช้งาน ความปลอดภัยและความสม่ำเสมอ: ชุดแบตเตอรี่สำหรับยานพาหนะไฟฟ้าใช้จำนวนแบตเตอรี่จำนวนมากที่ต่อแบบอนุกรมและขนาน อุดมคติแล้ว ความน่าจะเป็นที่แบตเตอรี่กำลังไฟจะขัดข้อง (ด้านความปลอดภัย การจัดเก็บ อายุการใช้งานรอบการชาร์จ ฯลฯ) ควรต่ำกว่าหนึ่งในร้อยล้าน หากความน่าจะเป็นนี้ยังคงต่ำอย่างต่อเนื่อง แบตเตอรี่จะมีแนวโน้มเกิดการชาร์จเกินและการคายประจุเกินในระหว่างการใช้งาน ซึ่งอาจนำไปสู่ปัญหาด้านความปลอดภัยได้

2. ประเภทขั้วบวก:

ปัจจุบัน ประเภทหลักของแบตเตอรี่พลังงานในตลาด ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเทียมไตรธาตุ แบตเตอรี่ LiFePO4 และแบตเตอรี่ LiMn2O4 ในแง่ของความเข้ากันได้โดยรวมของแบตเตอรี่พลังงาน แบตเตอรี่ลิเทียมไตรธาตุและแบตเตอรี่ LiFePO4 เป็นผู้นำตลาดอยู่ แน่นอนว่าอีกวัสดุแคโทดที่น่าสนใจในวงการแบตเตอรี่พลังงานคือ NCA (นิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียม) (8:1.5:0.5) ซึ่งมีความหนาแน่นพลังงานต่อเซลล์เดียวสูงมาก แต่ก็มีอุปสรรคในการเข้าสู่อุตสาหกรรมสูงเช่นกัน

Ii. แบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภค

แบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคเป็นอีกหนึ่งด้านการใช้งานที่สำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับผู้บริโภคมักใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป กล้องดิจิทัล กล้องวิดีโอดิจิทัล พาวเวอร์แบงค์ และของเล่นไฟฟ้า ซึ่งเรียกรวมๆ ว่า "ผลิตภัณฑ์ 3C" สำหรับเซลล์และโมดูลแบตเตอรี่ลิเธียม โดยแบ่งประเภทหลักออกเป็นแบตเตอรี่แบบทรงกระบอก แบบปริซึม และแบบกระเป๋า (pouch) แบตเตอรี่ลิเธียมแบบทรงกระบอกมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ทำให้จำกัดความบางของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมแบบปริซึมมีการออกแบบรูปลักษณ์ที่ค่อนข้างคงที่ และยากต่อการทำให้บาง ดังนั้น แบตเตอรี่ลิเธียมทั้งสองประเภทนี้จึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคบางประเภทที่ต้องการแบตเตอรี่ที่บาง เบา และมีขนาดหลากหลายได้ แบตเตอรี่ลิเธียมแบบกระเป๋า (pouch) ชนิดโพลิเมอร์ใช้ฟิล์มอลูมิเนียม-พลาสติกเป็นเปลือกหุ้ม ทำให้มีน้ำหนักเบา ปลอดภัย และมีทางเลือกในการออกแบบที่ยืดหยุ่นมากกว่า รวมทั้งมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่า จึงเหมาะสมกับความต้องการของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่ต้องการแบตเตอรี่ที่บาง เบา มีขนาดหลากหลาย และปลอดภัยได้ดียิ่งขึ้น ด้วยเหตุนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมแบบกระเป๋า (pouch) ชนิดโพลิเมอร์จึงเป็นประเภทที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในปัจจุบันสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมเพื่อการบริโภค อุตสาหกรรมแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคมีความสุกงอมแล้ว และโดยรวมความต้องการค่อนข้างคงที่

1.ลักษณะของสินค้า

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับผู้บริโภคมีเงื่อนไขการใช้งานที่ไม่เข้มงวดมากนัก และไม่จำเป็นต้องมีความน่าเชื่อถือในระยะยาว โดยทั่วไปจะใช้งานเพียงลำพัง ไม่จำเป็นต้องจับคู่กับแบตเตอรี่อื่น ดังนั้นข้อกำหนดด้านความสม่ำเสมอจึงไม่สูงมากนัก อย่างไรก็ตาม เนื่องจากผลิตภัณฑ์สำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์มือถือและแท็บเล็ต มีพื้นที่จำกัดและมีค่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับผู้บริโภคจึงมีข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับขนาด ความจุ และความหนาแน่นของพลังงาน แบตเตอรี่ระดับสูงสำหรับผู้บริโภคใช้เทคโนโลยีและวัสดุที่ทันสมัยที่สุด ในขณะที่แบตเตอรี่ไฟฟ้า (power batteries) ต้องการการควบคุมกระบวนการ การควบคุมความสม่ำเสมอ และการจัดการคุณภาพที่ซับซ้อนกว่า ข้อกำหนดอายุการใช้งานแบบชาร์จซ้ำ (cycle life) สำหรับผลิตภัณฑ์ผู้บริโภคไม่ได้ยาวนานเท่ากับแบตเตอรี่ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่สำหรับระบบกักเก็บพลังงาน ตัวอย่างเช่น หลังใช้งานไป 2-3 ปี เราอาจพบว่าความจุของแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือลดลงเหลือ 80% เป็นหลักเพราะโทรศัพท์ส่วนใหญ่ต้องชาร์จทุกวันหนึ่งถึงสองครั้ง ซึ่งหมายความว่าความจุของโทรศัพท์จะลดลงต่ำกว่า 80% ภายในเวลาไม่ถึง 3 ปี ณ จุดนี้จำเป็นต้องเปลี่ยนทั้งแบตเตอรี่หรือเปลี่ยนโทรศัพท์เครื่องใหม่

2. ประเภทขั้วบวก:

ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) ยังคงครองตลาดแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภค โดยแม้ว่า NCM สามตัว (Non-Lithium Cobalt Oxide) จะมีความจุจำเพาะสูง แต่ก็ไม่สามารถแทนที่ LCO ได้ง่ายนักเนื่องจากมีการผลิตก๊าซที่แรงดันไฟฟ้าสูง ถึงแม้ว่าวัสดุแคโทด LCO จะมีข้อเสีย เช่น ต้นทุนสูง (เนื่องจากโคบอลต์มีราคาแพง) สมรรถนะการใช้งานซ้ำต่ำ และความปลอดภัยต่ำ แต่ความหนาแน่นอัดแน่นสูงและแรงดันการทำงานสูงของมันยังคงทำให้มีข้อได้เปรียบในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แบบบางพิเศษ ความต้องการยังคงมีเสถียรภาพในสมาร์ทโฟนระดับกลางถึงสูง แล็ปท็อป และแท็บเล็ต นอกจากนี้ ความจุของแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้นในโทรศัพท์ 5G และการเกิดขึ้นของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภครูปแบบใหม่ เช่น โดรน หูฟัง TWS และบุหรี่อิเล็กทรอนิกส์ ต่างก็ช่วยกระตุ้นความต้องการตลาดวัสดุแคโทด LCO LCO มีความหนาแน่นอัดแน่นสูงที่สุด ส่งผลให้มีความหนาแน่นพลังงานต่อปริมาตรสูงที่สุดภายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคที่มีพื้นที่จำกัด ความหนาแน่นอัดแน่นที่ยอดเยี่ยม ความหนาแน่นพลังงานต่อปริมาตร สมรรถนะการใช้งานซ้ำ และสมรรถนะที่อุณหภูมิสูง/ต่ำ รวมถึงความสามารถในการเพิ่มความหนาแน่นพลังงานของ LCO ได้อีกโดยการเพิ่มศักย์ไฟฟ้าตัดตอนการชาร์จ ทำให้วัสดุ LCO ที่มีแรงดันสูงและความหนาแน่นอัดแน่นสูงเป็นทิศทางในอนาคต

III. แบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงาน

แบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงาน หมายถึง แบตเตอรี่ที่ใช้สำหรับเก็บพลังงานไฟฟ้า โดยแปลงเป็นพลังงานเคมี ปัจจุบันตลาดแบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงานมีสองกลุ่มการใช้งานหลัก ได้แก่ การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า และการจัดเก็บพลังงานสำหรับครัวเรือน แบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า คือ เทคโนโลยีที่ใช้สำหรับจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า โดยสถานการณ์การใช้งาน ได้แก่ การจัดเก็บพลังงานด้วยน้ำ, การจัดเก็บด้วยแบตเตอรี่, การจัดเก็บด้วยกลไก และการจัดเก็บด้วยอากาศอัด ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม ส่วนแบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงานในครัวเรือน มักออกแบบมาเพื่อการใช้งานภายนอกอาคาร เช่น ในกรณีไฟฟ้าดับที่บ้าน หรือขณะตั้งแคมป์ ซึ่งจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่จัดเก็บพลังงานที่มีความจุสูงและใช้งานได้นานเพื่อรองรับความต้องการในสถานการณ์ฉุกเฉิน

1.ลักษณะของสินค้า

แบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับจัดเก็บพลังงานมีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นในด้านอายุการใช้งาน โดยทั่วไปอายุการใช้งานของยานยนต์พลังงานใหม่อยู่ที่ 5-8 ปี ขณะที่โครงการจัดเก็บพลังงานมักมีเป้าหมายอายุการใช้งานมากกว่า 10 ปี แบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับระบบขับเคลื่อนมีอายุการใช้งานแบบไซเคิล (cycle life) อยู่ที่ 1,000-2,000 ไซเคิล แต่แบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับจัดเก็บพลังงานโดยทั่วไปต้องการอายุการใช้งานแบบไซเคิลมากกว่า 5,000 ไซเคิล причины เนื่องจากแบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงานไม่เน้นความหนาแน่นพลังงานตามปริมาตร (volumetric energy density) และความหนาแน่นพลังงานตามน้ำหนัก (gravimetric energy density) เป็นหลัก แต่ให้ความสำคัญกับความปลอดภัยและต้นทุนเป็นพิเศษ จากมุมมองคุณสมบัติเชิงวัสดุภายใน ลิเธียมเฟอร์ไรด์ฟอสเฟต (lithium iron phosphate) มีเสถียรภาพทางความร้อนและความต้นทุนวัสดุที่ดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมชนิดไตรนารี (ternary lithium batteries) และมีอายุการใช้งานแบบไซเคิลใกล้ถึง 10,000 ไซเคิลแล้ว ทำให้การนำไปใช้งานในตลาดการจัดเก็บพลังงานระดับโลกเพิ่มมากขึ้นอย่างต่อเนื่อง

2. ประเภทขั้วบวก:

มีความแตกต่างบางประการระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับขับเคลื่อนและแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับเก็บพลังงาน แต่ในแง่ของเซลล์เองนั้น ทั้งสองประเภทดูเหมือนจะสามารถใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) และแบตเตอรี่ลิเธียมไตรนารีได้ อย่างไรก็ตาม ในแอปพลิเคชันด้านการจัดเก็บพลังงาน แบตเตอรี่ LFP จะถูกใช้เกือบทั้งหมด สาเหตุหลักมาจากการเกิดอุบัติเหตุด้านความปลอดภัยบ่อยครั้งในโรงไฟฟ้าจัดเก็บพลังงาน แบตเตอรี่ลิเธียมที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับการจัดเก็บพลังงานไม่จำเป็นต้องมีความหนาแน่นพลังงานสูง แต่ต้องเน้นความปลอดภัยเป็นหลัก เนื่องจากระบบจัดเก็บพลังงานทางอิเล็กโทรเคมีประกอบด้วยแบตเตอรี่หลายร้อยถึงหลายหมื่นก้อน หากเกิดเพลิงไหม้และลุกลาม สถานการณ์จะควบคุมได้ยากมาก เมื่อวันที่ 29 มิถุนายน 2022 สำนักงานบริหารพลังงานแห่งชาติได้ออกเอกสารร่างความเห็นเรื่อง "ข้อกำหนดสำคัญ 25 ประการ เพื่อป้องกันอุบัติเหตุการผลิตไฟฟ้า" ซึ่งระบุว่า โรงไฟฟ้าจัดเก็บพลังงานทางอิเล็กโทรเคมีขนาดใหญ่ห้ามใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไตรนารีหรือแบตเตอรี่โซเดียม-ซัลเฟอร์ และห้ามใช้แบตเตอรี่พลังงานรีไซเคิล ดังนั้น แบตเตอรี่สำหรับจัดเก็บพลังงานจึงผลิตจากแบตเตอรี่ LFP เกือบทั้งหมด

สรุป:

ตลาดแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคมีเสถียรภาพค่อนข้างมากแล้ว โดยการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มความหนาแน่นพลังงานต่อหน่วยปริมาตรและเพิ่มความจุให้สูงขึ้น ส่วนแบ่งทางการตลาดของแบตเตอรี่กำลังไฟฟ้าชั้นนำได้รับการยืนยันอย่างมั่นคงแล้ว โดยยังมีสัดส่วนเล็กน้อยที่อยู่ระหว่างการปรับโครงสร้าง ปัจจุบันเป้าหมายหลักของแบตเตอรี่กำลังไฟฟ้าคือการยืดระยะทางการขับขี่ให้ไกลขึ้น และเพิ่มความเร็วในการชาร์จ ส่วนแบตเตอรี่สำหรับระบบกักเก็บพลังงานยังไม่มีการพัฒนาใหม่ที่สำคัญแต่อย่างใด โดยยังคงมุ่งเน้นไปที่ความจุขนาดใหญ่เป็นพิเศษ จาก 280Ah ไปเป็น 314Ah และในขณะนี้พัฒนาไปถึง 587Ah ของ CATL และ Haichen หรือแม้แต่ 684Ah ของ Sungrow