แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ที่ใช้ในการจ่ายไฟให้กับมอเตอร์ไฟฟ้าของรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ (BEV) หรือรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEV)
โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการออกแบบให้มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักและความหนาแน่นของพลังงาน สูง เมื่อเทียบกับเชื้อเพลิงเหลว เทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันส่วนใหญ่มีพลังงานจำเพาะ ต่ำกว่ามาก ส่งผลให้น้ำหนักของรถเพิ่มขึ้นหรือระยะทางวิ่งลดลง
แบตเตอรี่ Li-NMC ที่ใช้ลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์เป็นแบตเตอรี่ที่พบมากที่สุดในรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) กำลังเพิ่มขึ้น โดยมีส่วนแบ่งการตลาดทั่วโลก 41% ตามกำลังการผลิตของรถยนต์ไฟฟ้าในปี 2023 [1] : แบตเตอรี่ LFP จำนวน 85 ก้อนมีน้ำหนักมากกว่าแต่ราคาถูกกว่าและยั่งยืนกว่า ในเวลาเดียวกัน รถยนต์โดยสารเชิงพาณิชย์คันแรกกำลังใช้แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (Na-ion) ซึ่งหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการใช้แร่ธาตุที่สำคัญได้อย่างสมบูรณ์[2]
แบตเตอรี่เป็นส่วนสำคัญของต้นทุนและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของรถยนต์ไฟฟ้า การเติบโตของอุตสาหกรรมทำให้เกิดความสนใจในการรักษาห่วงโซ่อุปทานแบตเตอรี่ ที่มีจริยธรรม ซึ่งนำมาซึ่งความท้าทายมากมายและกลายเป็นปัญหาทางภูมิรัฐศาสตร์ที่สำคัญ การลดการใช้โคบอลต์ ที่ขุดได้ ซึ่งจำเป็นสำหรับ การกลั่น เชื้อเพลิงฟอสซิล ด้วย ถือเป็นเป้าหมายหลักของการวิจัย สารเคมีใหม่จำนวนหนึ่งแข่งขันกันเพื่อแทนที่ Li-NMC ด้วยประสิทธิภาพที่สูงกว่า 800Wh/kg ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ (ดูแบตเตอรี่โซลิดสเตต )
ณ เดือนธันวาคม 2562 [อัปเดต]แม้จะพึ่งพาวัสดุรีไซเคิลมากขึ้น แต่ต้นทุนแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าก็ลดลง 87% ตั้งแต่ปี 2553 เมื่อคิดต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง[3]
ความต้องการ EVB เกิน 750 GWh ในปี 2023 [1] EVB มีความจุที่สูงกว่าแบตเตอรี่รถยนต์ที่ใช้ในการสตาร์ท ไฟ และจุดระเบิด (SLI) ในรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในมาก ความจุแบตเตอรี่เฉลี่ยของรุ่น EV ที่มีจำหน่ายอยู่ที่ 21 ถึง 123 kWh ในปี 2023 โดยมีค่าเฉลี่ยอยู่ที่ 80 kWh [4] [5]
ณ ปี 2024 แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) ที่มีรูปแบบ Li-NMC, LFP และLi-NCAครองตลาด BEV กำลังการผลิตรวมทั่วโลกในปี 2023 อยู่ที่เกือบ 2,000 GWh โดยใช้ 772 GWh สำหรับ EV ในปี 2023 การผลิตส่วนใหญ่อยู่ในประเทศจีนซึ่งมีกำลังการผลิตเพิ่มขึ้น 45% ในปีนั้น[1] : 17 ด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูงและอายุการใช้งานที่ยาวนาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงกลายเป็นประเภทแบตเตอรี่ชั้นนำสำหรับใช้ใน EV โดยในเบื้องต้น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการพัฒนาและนำออกสู่ตลาดเพื่อใช้ในแล็ปท็อปและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค EV รุ่นล่าสุดใช้รูปแบบใหม่ของเคมีลิเธียมไอออนที่เสียสละพลังงานเฉพาะและกำลังเฉพาะเพื่อให้ทนไฟ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ชาร์จเร็ว และมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น รูปแบบเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นมาก ตัวอย่างเช่น เซลล์ลิเธียมไอออนที่มีนาโนท่อคาร์บอน ผนังเดี่ยว (SWCNT) แสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงเชิงกลที่เพิ่มขึ้น ยับยั้งการเสื่อมสภาพ และทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น[6] [7]
ลี-เอ็นเอ็มซี | แอลเอฟพี | ลี-เอ็นซีเอ | โซเดียมไอออน | กรดตะกั่ว | |
---|---|---|---|---|---|
ส่วนแบ่งตลาด BEV ทั่วโลก | 59% [8] : 26 | 40% [8] : 26 | 7% [8] : 26 | <1% (ศักยภาพสูง) | ไม่มีข้อมูล |
ความหนาแน่นของพลังงานต่อตัน (เท่ากับ Wh/kg) | 150-275 กิโลวัตต์ชั่วโมง[9] 150-220 kWh [10] 165 kWh (ยอดขายเฉลี่ยปี 2566) [1] : 166 | 80-150 กิโลวัตต์ชั่วโมง[9] 210 [11] 90-160 kWh [10] 135 kWh (ยอดขายเฉลี่ยปี 2566) [1] : 166 | 200-260 กิโลวัตต์ชั่วโมง[10] | 140-160 กิโลวัตต์ชั่วโมง[12] [13] : 12 | 35 กิโลวัตต์ชั่วโมง[14] |
การฉายภาพความหนาแน่นของพลังงาน | 300 กิโลวัตต์ชั่วโมง[15] | 260 กิโลวัตต์ชั่วโมง[11] | >200 กิโลวัตต์ชั่วโมง[12] : 13 [16] | ||
ราคาต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง | 139$ [17] 130$ [1] | 70$ [18] 105$ [1] | 120$ [1] | 80-120€ [12] : 12 87$ [19] | 65-100$ [20] [21] |
การคาดการณ์ราคา | 80$ (2030) [17] | 36$ (2025) [18] | <40€ (2035) [12] : 13 40-80$ (2034) [19] [22] 8-10$ [23] | ||
รอบเดือน (สุขภาพ 80%) | 1500 - 5000 [24] | 3000 - 7000 [25] | 4000 - 5000 [26] | 200 - 1500 [24] | |
ความไวไฟสูง | ใช่ | เลขที่ | ปานกลาง | เลขที่ | ใช่ |
ช่วงอุณหภูมิ | ปานกลาง (สภาพอากาศหนาวเย็น) [8] : 26 | สูง (ภูมิอากาศร้อน) [8] : 26 | สูง | ปานกลาง | |
การผลิต | >67% จีน[1] | 100% จีน[1] |
ลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ให้ประสิทธิภาพสูงและกลายเป็นมาตรฐานระดับโลกในการผลิต BEV ตั้งแต่ปี 2010 ในทางกลับกัน การใช้ประโยชน์จากแร่ธาตุที่จำเป็นทำให้เกิดปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม ข้อเสียของแบตเตอรี่ NMC แบบดั้งเดิม ได้แก่ ความไวต่ออุณหภูมิ ประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่อุณหภูมิต่ำ และประสิทธิภาพที่ลดลงตามอายุการใช้งาน[27]แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมจึงมีความเสี่ยงต่อความปลอดภัยจากอัคคีภัยหากเจาะหรือชาร์จไม่ถูกต้อง เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์มีความผันผวน การมีออกไซด์ของโลหะที่ถูกออกซิไดซ์ในปริมาณมาก และความไม่เสถียรทางความร้อนของชั้น SEI ของขั้วบวก เซลล์ในยุคแรกไม่สามารถรับหรือจ่ายประจุไฟฟ้าได้เมื่อเย็นจัด สามารถใช้เครื่องทำความร้อนในสภาพอากาศบางประเภทเพื่ออุ่นเซลล์ได้
แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีช่วงการทำงานสั้นกว่าแต่ราคาถูกกว่า ปลอดภัยกว่า และยั่งยืนกว่าแบตเตอรี่ NMC [28]ไม่จำเป็นต้องใช้แร่ธาตุที่สำคัญอย่างแมงกานีสและโคบอลต์ตั้งแต่ปี 2023 LFP ได้กลายเป็นเทคโนโลยีชั้นนำในประเทศจีนในขณะที่ส่วนแบ่งการตลาดในยุโรปและอเมริกาเหนือยังคงต่ำกว่า 10% [1] : 86 LFP เป็นประเภทที่โดดเด่นในการจัดเก็บพลังงานบนกริด
แบตเตอรี่ ลิเธียมไททาเนต หรือ แบตเตอรี่ ลิเธียมไททาเนียมออกไซด์ (LTO)เป็นที่รู้จักกันว่ามีโปรไฟล์ความปลอดภัยสูง มีความเสี่ยงต่อความร้อน สูงเกินไป และทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง[29]แบตเตอรี่ LTO มีวงจรอายุที่น่าประทับใจ โดยมักจะเกิน 10,000 รอบการชาร์จและคายประจุ[30]แบตเตอรี่เหล่านี้ยังมีความสามารถในการชาร์จอย่างรวดเร็วเนื่องจากรับการชาร์จได้สูง[31] อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่เหล่านี้มี ความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อื่น ๆ[32]
แบตเตอรี่โซเดียมไอออนหลีกเลี่ยงวัสดุที่สำคัญได้อย่างสมบูรณ์[33]เนื่องจากโซเดียมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของน้ำเกลือมีอยู่ในปริมาณมาก จึงมีการคาดการณ์ต้นทุนต่ำ ในช่วงต้นปี 2024 ผู้ผลิตชาวจีนหลายรายเริ่มส่งมอบรุ่นแรกของตน[2]นักวิเคราะห์มองเห็นศักยภาพสูงสำหรับประเภทนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้าขนาดเล็ก จักรยาน และรถสามล้อ[34]
มีหลายประเภทอยู่ในระหว่างการพัฒนา
ในศตวรรษที่ 20 รถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด แบบจุ่มน้ำ เนื่องจากเทคโนโลยีที่ล้ำสมัย หาซื้อได้ง่าย และต้นทุนต่ำ แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดเป็นพลังงานสำหรับ EV ยุคใหม่ เช่น EV1 รุ่นดั้งเดิมในปี 1996 แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดมีอยู่ 2 ประเภทหลัก ได้แก่ แบตเตอรี่สตาร์ทเครื่องยนต์รถยนต์ และแบตเตอรี่แบบวงจรลึกซึ่งให้พลังงานไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องเพื่อขับเคลื่อนยานยนต์ไฟฟ้า เช่น รถยกหรือรถกอล์ฟ[35]แบตเตอรี่แบบวงจรลึกยังใช้เป็นแบตเตอรี่เสริมในยานยนต์เพื่อการพักผ่อนหย่อนใจ แต่ต้องชาร์จหลายขั้นตอน การคายประจุต่ำกว่า 50% อาจทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานสั้นลง[36]แบตเตอรี่แบบจุ่มน้ำต้องตรวจสอบระดับอิเล็กโทรไลต์และเปลี่ยนน้ำเป็นครั้งคราว ซึ่งน้ำจะระเหยออกไปในระหว่างรอบการชาร์จปกติ EV ที่ใช้แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดสามารถวิ่งได้ไกลถึง 130 กม. (81 ไมล์) ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง
แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ถือเป็นเทคโนโลยีที่โตเต็มที่แล้ว [ 37]แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่า (60–70%) ในการชาร์จและการปล่อยประจุเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด แต่ก็มีพลังงานจำเพาะที่สูงกว่าที่ 30–80 W·h/kg เมื่อใช้แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์อย่างถูกต้องจะมีอายุการใช้งานที่ยาวนานเป็นพิเศษ ดังเช่นที่พิสูจน์แล้วในการใช้งานในรถยนต์ไฮบริดและในรถยนต์ไฟฟ้า NiMH รุ่นแรกที่ยังคงเหลืออยู่ของToyota RAV4ซึ่งยังคงใช้งานได้ดีหลังจากผ่านไป 100,000 ไมล์ (160,000 กม.) และให้บริการมานานกว่าทศวรรษ ข้อเสีย ได้แก่ รอบการชาร์จที่พิถีพิถันและประสิทธิภาพที่ไม่ดีในสภาพอากาศหนาวเย็น[ จำเป็นต้องอ้างอิง ] GM Ovonic ผลิตแบตเตอรี่ NiMH ที่ใช้ใน EV-1 รุ่นที่สอง[38] NiMH-EV ต้นแบบสามารถวิ่งได้ไกลถึง 200 กม. (120 ไมล์)
แบตเตอรี่โซเดียมนิกเกิลคลอไรด์หรือ "Zebra" ถูกนำมาใช้ในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นแรกๆ ระหว่างปี 1997 ถึง 2012 โดยใช้ เกลือ โซเดียมคลอโรอะลูมิเนต หลอมเหลว (NaAlCl 4 ) เป็นอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่นี้มีพลังงานจำเพาะ 120 W·h/kg เนื่องจากแบตเตอรี่จะต้องได้รับความร้อนก่อนใช้งาน สภาพอากาศหนาวเย็นจึงไม่ส่งผลกระทบต่อการทำงานของแบตเตอรี่มากนัก ยกเว้นค่าใช้จ่ายในการทำความร้อนที่เพิ่มขึ้น แบตเตอรี่ Zebra สามารถใช้งานได้นานหลายพันรอบการชาร์จและไม่มีพิษ ข้อเสียของแบตเตอรี่ Zebra ได้แก่ พลังงานจำเพาะต่ำ (<300 W/kg) และจำเป็นต้องให้ความร้อนอิเล็กโทรไลต์ที่อุณหภูมิประมาณ 270 °C (518 °F) ซึ่งทำให้สิ้นเปลืองพลังงานบางส่วน ทำให้การจัดเก็บประจุในระยะยาวทำได้ยาก และอาจเป็นอันตรายได้[39]
แบตเตอรี่ชาร์จไฟชนิดอื่นๆ ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าในยุคแรกๆ ได้แก่
ซีรีย์ CTx:
ในระยะแรก วัตถุดิบ[44]จะถูกขุดในส่วนต่างๆ ของโลก รวมถึงออสเตรเลีย[45] รัสเซีย[ 46 ] นิวคาลิโดเนียและอินโดนีเซีย[47] [48]ปัจจุบันขั้นตอนทั้งหมดต่อไปนี้ถูกควบคุมโดยจีนหลังจากที่วัตถุดิบได้รับการกลั่นโดยโรงงานแปรรูปเบื้องต้น บริษัทผู้ผลิตแบตเตอรี่จะซื้อวัตถุดิบมาผลิตแบตเตอรี่และประกอบเป็นแพ็ค บริษัทผู้ผลิตยานยนต์จะซื้อและติดตั้งวัตถุดิบในรถยนต์ เพื่อจัดการกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของกระบวนการนี้ ห่วงโซ่อุปทานจึงมุ่งเน้นไปที่ความยั่งยืนมากขึ้น โดยมีความพยายามที่จะลดการพึ่งพาแร่ธาตุหายากและปรับปรุงการรีไซเคิล[49]
กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ EV แบ่งออกเป็น 3 ขั้นตอนหลัก ได้แก่ การผลิตวัสดุ การผลิตเซลล์ และการบูรณาการ ดังแสดงในกราฟกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ EV ในสีเทา เขียว และส้ม ตามลำดับ กระบวนการที่แสดงนี้ไม่รวมการผลิตฮาร์ดแวร์เซลล์ เช่น ตัวเรือนและตัวเก็บประจุไฟฟ้า ในระหว่างกระบวนการผลิตวัสดุ วัสดุที่ใช้งาน สารเติมแต่งการนำไฟฟ้า สารยึดเกาะโพลีเมอร์ และตัวทำละลายจะถูกผสมกันก่อน จากนั้นจึงเคลือบบนตัวเก็บประจุไฟฟ้าเพื่อเตรียมการอบแห้ง ในขั้นตอนนี้ วิธีการผลิตวัสดุที่ใช้งานจะขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรดและเคมี
แคโทดส่วนใหญ่ใช้ออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน เช่น ลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (Li-NMC) หรือลิเธียมเมทัลฟอสเฟต เช่น ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LFP) วัสดุที่นิยมใช้ทำแอโนดมากที่สุดคือกราไฟต์ อย่างไรก็ตาม เมื่อไม่นานมานี้มีบริษัทหลายแห่งเริ่มผลิตแอโนดผสมซิลิกอน (Sila Nanotech, ProLogium ) และแอโนดโลหะลิเธียม (Cuberg, Solid Power)
โดยทั่วไป การผลิตวัสดุที่ใช้งานจะมีสามขั้นตอน ได้แก่ การเตรียมวัสดุ การประมวลผลวัสดุ และการทำให้บริสุทธิ์ Schmuch และคณะได้อธิบายการผลิตวัสดุอย่างละเอียดมากขึ้น[50]
ในขั้นตอนการผลิตเซลล์ อิเล็กโทรดที่เตรียมไว้จะถูกประมวลผลเป็นรูปร่างที่ต้องการสำหรับการบรรจุในรูปแบบทรงกระบอก สี่เหลี่ยม หรือถุง จากนั้น หลังจากเติมอิเล็กโทรไลต์และปิดผนึกเซลล์แล้ว เซลล์แบตเตอรี่จะถูกหมุนเวียนอย่างระมัดระวังเพื่อสร้าง SEI เพื่อปกป้องขั้วบวก จากนั้น แบตเตอรี่เหล่านี้จะถูกประกอบเป็นแพ็คที่พร้อมสำหรับการผสานเข้ากับยานพาหนะ
เมื่อแบตเตอรี่ EV เสื่อมสภาพลงเหลือ 70% ถึง 80% ของความจุเดิม จะถือว่าแบตเตอรี่หมดอายุการใช้งาน วิธีการจัดการขยะวิธีหนึ่งคือนำแบตเตอรี่กลับมาใช้ใหม่ การนำแบตเตอรี่กลับมาใช้ใหม่เพื่อจัดเก็บแบบอยู่กับที่ จะทำให้ได้มูลค่าเพิ่มจากแบตเตอรี่ในขณะที่ลดผลกระทบต่ออายุการใช้งานต่อ kWh ลง
การเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ที่ไม่สม่ำเสมอและไม่พึงประสงค์เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของ EV ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิระหว่างการทำงานและรูปแบบการชาร์จ/การปล่อยประจุ เซลล์แบตเตอรี่แต่ละเซลล์อาจเสื่อมสภาพต่างกันระหว่างการทำงาน ปัจจุบัน ข้อมูล สถานะสุขภาพ (SOH) จากระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) สามารถดึงออกมาได้ในระดับแพ็คแต่ไม่สามารถดึงออกมาได้ในระดับเซลล์ วิศวกรสามารถลดการเสื่อมสภาพได้โดยการออกแบบระบบการจัดการความร้อนรุ่นถัดไปสามารถใช้การสเปกโตรสโคปีอิมพีแดนซ์ทางไฟฟ้า เคมี (EIS) เพื่อรับประกันคุณภาพของแพ็คแบตเตอรี่ได้ [51] [52]
การรื้อโมดูลและเซลล์นั้นมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานาน โมดูลจะต้องถูกปล่อยประจุจนหมด จากนั้นจึงต้องรื้อและกำหนดค่าใหม่เพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดด้านพลังงานและพลังงานสำหรับการใช้งานครั้งที่สอง บริษัทซ่อมแซมสามารถขายหรือใช้พลังงานที่ปล่อยประจุจากโมดูลซ้ำเพื่อลดต้นทุนของกระบวนการนี้ มีการใช้หุ่นยนต์เพื่อเพิ่มความปลอดภัยในกระบวนการรื้อ[51] [53]
เทคโนโลยีแบตเตอรี่ไม่โปร่งใสและขาดมาตรฐาน เนื่องจากการพัฒนาแบตเตอรี่เป็นส่วนสำคัญของ EV จึงเป็นเรื่องยากที่ผู้ผลิตจะติดฉลากเคมีที่แน่นอนของแคโทด แอโนด และอิเล็กโทรไลต์บนบรรจุภัณฑ์ นอกจากนี้ ความจุและการออกแบบของเซลล์และบรรจุภัณฑ์จะเปลี่ยนแปลงทุกปี บริษัทที่ซ่อมแซมต้องทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้ผลิตเพื่อให้มีการอัปเดตข้อมูลนี้อย่างทันท่วงที ในทางกลับกัน รัฐบาลสามารถกำหนดมาตรฐานการติดฉลากได้[51]
สุดท้าย ต้นทุนแบตเตอรี่ลดลงเร็วกว่าที่คาดไว้ หน่วยที่ได้รับการปรับปรุงใหม่อาจดึงดูดตลาดได้น้อยกว่าแบตเตอรี่ใหม่[51]
อย่างไรก็ตาม มีความสำเร็จหลายประการในการใช้งานครั้งที่สองตามที่แสดงในตัวอย่างโครงการจัดเก็บที่ใช้แบตเตอรี่ EV ที่ใช้ครั้งที่สอง แบตเตอรี่เหล่านี้ใช้ในแอปพลิเคชันการจัดเก็บแบบคงที่ที่มีความต้องการน้อยกว่า เช่น การลดค่าพีคหรือการจัดเก็บเพิ่มเติมสำหรับแหล่งผลิตไฟฟ้าที่ใช้พลังงานหมุนเวียน[51]
แม้ว่าอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะขยายออกไปได้โดยการเปิดใช้งานแอปพลิเคชันอายุการใช้งานที่สอง แต่ท้ายที่สุดแล้วแบตเตอรี่ EV จำเป็นต้องได้รับการรีไซเคิล ความสามารถในการรีไซเคิลไม่ใช่ปัจจัยการออกแบบที่สำคัญสำหรับผู้ผลิตแบตเตอรี่ในปัจจุบัน และในปี 2019 มีการรีไซเคิลแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าเพียง 5% เท่านั้น[54] อย่างไรก็ตาม การปิดวงจรนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง ไม่เพียงแต่เนื่องจากอุปทานนิกเกิลโคบอลต์และลิเธียมที่ คาดว่าจะตึงตัว ในอนาคตเท่านั้น การรีไซเคิลแบตเตอรี่ EV ยังมีศักยภาพที่จะเพิ่มประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมให้สูงสุดอีกด้วย Xu et al. คาดการณ์ว่าในสถานการณ์การพัฒนาอย่างยั่งยืน ลิเธียม โคบอลต์ และนิกเกิลจะไปถึงหรือเกินปริมาณสำรองที่ทราบในอนาคตหากไม่มีการรีไซเคิล[55] Ciez และ Whitacre พบว่าการใช้การรีไซเคิลแบตเตอรี่สามารถหลีกเลี่ยงการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) จากการทำเหมืองได้[56]
เทคโนโลยี BEV ขาดกรอบการรีไซเคิลที่กำหนดไว้ในหลายประเทศ ทำให้การใช้ BEV และอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่อื่นๆ เป็นการใช้พลังงานจำนวนมาก ส่งผลให้การปล่อย CO2 เพิ่มขึ้นในที่สุดโดยเฉพาะในประเทศที่ไม่มีแหล่งพลังงานหมุนเวียน[57]
มีความพยายามมากมายทั่วโลกในการส่งเสริมการพัฒนาและการนำเทคโนโลยีการรีไซเคิลไปใช้ ในสหรัฐอเมริกา สำนักงานเทคโนโลยียานยนต์ของกระทรวงพลังงาน (VTO) ได้จัดตั้งความพยายามสองประการที่มุ่งเน้นไปที่นวัตกรรมและความสามารถในการปฏิบัติของกระบวนการรีไซเคิล ศูนย์ ReCell Lithium Recycling RD ได้รวบรวมมหาวิทยาลัยสามแห่งและห้องปฏิบัติการแห่งชาติสามแห่งเข้าด้วยกันเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการรีไซเคิลที่เป็นนวัตกรรมและมีประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วิธีการรีไซเคิลแคโทดโดยตรงได้รับการพัฒนาโดยศูนย์ ReCell ในทางกลับกัน VTO ยังจัดตั้งรางวัลรีไซเคิลแบตเตอรี่เพื่อจูงใจให้ผู้ประกอบการชาวอเมริกันค้นหาวิธีแก้ปัญหาที่สร้างสรรค์เพื่อแก้ไขปัญหาปัจจุบัน[58]
การรีไซเคิลแบตเตอรี่ EV ช่วยในการกู้คืนวัสดุที่มีค่า เช่น ลิเธียม โคบอลต์ นิกเกิล และธาตุหายากลดความจำเป็นในการทำเหมืองใหม่และอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติ และลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการผลิตแบตเตอรี่ โดยลดผลกระทบต่อการทำเหมือง การใช้พลังงาน และการปล่อยก๊าซเรือนกระจกให้เหลือน้อยที่สุด[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
เพื่อพัฒนาความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวงจรชีวิตของแบตเตอรี่ EV จำเป็นต้องวิเคราะห์การปล่อยมลพิษที่เกี่ยวข้องกับเฟสต่างๆ โดยใช้เซลล์ทรงกระบอก NMC เป็นตัวอย่าง Ciez และ Whitacre พบว่ามีการปล่อย CO2 ประมาณ 9 กก. /กก. แบตเตอรี่- 1ในระหว่างกระบวนการเตรียมวัตถุดิบและการผลิตแบตเตอรี่ภายใต้โครงข่ายไฟฟ้าเฉลี่ยของสหรัฐอเมริกา การปล่อยมลพิษส่วนใหญ่มาจากการเตรียมวัสดุซึ่งคิดเป็นมากกว่า 50% ของการปล่อยมลพิษทั้งหมด หากใช้เซลล์ถุง NMC การปล่อยมลพิษทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นเป็นเกือบ 10 กก. CO2 2 กก . / กก. แบตเตอรี่- 1ในขณะที่การผลิตวัสดุยังคงก่อให้เกิดการปล่อยมลพิษมากกว่า 50% [56]ในระหว่างขั้นตอนการจัดการปลายอายุการใช้งาน กระบวนการปรับปรุงใหม่จะเพิ่มการปล่อยมลพิษเพียงเล็กน้อยในวงจรชีวิต ในทางกลับกัน กระบวนการรีไซเคิล ตามที่ Ciez และ Whitacre แนะนำ จะปล่อยก๊าซเรือนกระจกจำนวนมาก ดังที่แสดงในกราฟการปล่อยมลพิษจากการรีไซเคิลแบตเตอรี่ a และ c การปล่อยมลพิษจากกระบวนการรีไซเคิลจะแตกต่างกันไปตามกระบวนการรีไซเคิลที่แตกต่างกัน เคมีที่แตกต่างกัน และปัจจัยรูปแบบที่แตกต่างกัน ดังนั้น การปล่อยมลพิษสุทธิที่หลีกเลี่ยงได้เมื่อเทียบกับการไม่รีไซเคิลก็แตกต่างกันไปตามปัจจัยเหล่านี้เช่นกัน เมื่อมองเผินๆ ดังที่แสดงในกราฟ b และ d กระบวนการรีไซเคิลโดยตรงเป็นกระบวนการที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่เซลล์แบบถุง ในขณะที่กระบวนการไฮโดรเมทัลลูร์จิคัลเหมาะสมที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ทรงกระบอก อย่างไรก็ตาม จากแถบข้อผิดพลาดที่แสดงไว้ แนวทางที่ดีที่สุดไม่สามารถเลือกได้อย่างมั่นใจ ควรสังเกตว่าสำหรับเคมีของลิเธียมไอออนฟอสเฟต (LFP) ผลประโยชน์สุทธิเป็นลบ เนื่องจากเซลล์ LFP ขาดโคบอลต์และนิกเกิล ซึ่งมีราคาแพงและใช้พลังงานมากในการผลิต จึงมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าในการขุด โดยทั่วไป นอกเหนือจากการส่งเสริมการเติบโตของภาคส่วนเดียวแล้ว ควรมีการพยายามแบบบูรณาการมากขึ้นเพื่อลดการปล่อยมลพิษตลอดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ EV การจัดหาแร่ธาตุหายากในปริมาณจำกัดดูเหมือนจะเป็นเหตุผลในการรีไซเคิล แต่ประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมของการรีไซเคิลยังต้องได้รับการตรวจสอบอย่างใกล้ชิด จากเทคโนโลยีรีไซเคิลในปัจจุบัน ประโยชน์สุทธิของการรีไซเคิลขึ้นอยู่กับปัจจัยรูปแบบ เคมี และกระบวนการรีไซเคิลที่เลือก
การเปลี่ยนผ่านไปสู่ยานยนต์ไฟฟ้าคาดว่าจะต้องใช้โลหะเฉพาะที่จำเป็นต้องขุดในช่วงแรกมากกว่าปี 2015 ถึง 87 เท่าภายในปี 2060 โดยการรีไซเคิลจะครอบคลุมความต้องการบางส่วนในอนาคต[59]ตามการศึกษาวิจัยของ IEA ในปี 2021 พบว่าอุปทานแร่ธาตุจำเป็นต้องเพิ่มขึ้นจาก 400 กิโลตันในปี 2020 เป็น 11,800 กิโลตันในปี 2040 เพื่อให้ครอบคลุมความต้องการของยานยนต์ไฟฟ้า การเพิ่มขึ้นนี้ก่อให้เกิดความท้าทายสำคัญหลายประการ ตั้งแต่ห่วงโซ่อุปทานเนื่องจากการผลิต 60% กระจุกตัวอยู่ในจีน ไปจนถึงผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อสภาพอากาศ[ ต้องการใบเสนอราคาเพื่อตรวจสอบ ]และสิ่งแวดล้อมอันเป็นผลจากการดำเนินการขุดที่เพิ่มขึ้นอย่างมาก[60]อย่างไรก็ตาม ความต้องการน้ำมัน 45% ในปี 2022 ใช้สำหรับการขนส่งทางถนน และแบตเตอรี่อาจลดลงเหลือ 20% ภายในปี 2050 [61]ซึ่งจะช่วยประหยัดวัตถุดิบได้มากกว่าที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่หลายร้อยเท่า[62]
การทำเหมืองนิกเกิลทองแดงและโคบอลต์ในประเทศกำลังพัฒนา เช่นฟิลิปปินส์[63]สาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก[64]และอินโดนีเซียเป็นที่ถกเถียงกันเนื่องจากทำลายสิ่งแวดล้อม[65] [66] การทำเหมืองนิกเกิลมีส่วนทำให้เกิดการตัดไม้ทำลายป่าในอินโดนีเซียอย่าง มาก [67]
ต้นทุนแบตเตอรี่โดยเฉลี่ยลดลง 90% ตั้งแต่ปี 2010 เนื่องจากความก้าวหน้าในเคมีและการผลิตแบตเตอรี่[8] : 3 แบตเตอรี่เป็นส่วนสำคัญของต้นทุนโดยรวมของรถยนต์ไฟฟ้า โดยมักคิดเป็น 30-40% ของราคาทั้งหมดของรถยนต์ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าลดลงอย่างต่อเนื่องตลอดหลายปีที่ผ่านมาเนื่องจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี การประหยัดต่อขนาด และการปรับปรุงกระบวนการผลิต แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าโดยทั่วไปมาพร้อมกับการรับประกันที่ครอบคลุมจำนวนปีหรือไมล์จำนวนหนึ่ง ซึ่งสะท้อนให้เห็นถึงความเชื่อมั่นในความทนทานและความน่าเชื่อถือในช่วงเวลาหนึ่ง[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
ปัญหาหนึ่งคือราคาซื้อ อีกปัญหาหนึ่งคือต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของรถยนต์ไฟฟ้ามักจะน้อยกว่ารถยนต์ที่ใช้น้ำมันเบนซินหรือดีเซล[69]ในปี 2024 Gartner คาดการณ์ว่าภายในปี 2027 รถยนต์ BEV รุ่นต่อไปจะมีต้นทุนการผลิตถูกกว่ารถยนต์ ICE ที่เทียบเคียงได้โดยเฉลี่ย[70]ในจีน ปัจจุบันรถยนต์ BEV มีราคาถูกกว่ารถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในที่เทียบเคียงได้[71]การพัฒนานี้ขับเคลื่อนโดยการอุดหนุนในตลาดจีน สหรัฐอเมริกาปกป้องผู้ผลิตของตนเองด้วยภาษีศุลกากรในสหภาพยุโรปยังมีการถกเถียงกันอยู่ ซึ่งอาจส่งผลให้ความเท่าเทียมด้านต้นทุนล่าช้า
น้ำหนักของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าเป็นปัจจัยจำกัดในการเข้าถึงระยะทางที่เท่ากัน ดีเซลและเบนซินมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่าแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันถึง 50 เท่า
ความหนาแน่นของพลังงาน กิโลวัตต์ชั่วโมง/ตัน | การบริโภคโดยทั่วไป ต่อ 100 กม. | น้ำหนัก ต่อ 100 กม. | |
---|---|---|---|
ดีเซล | 12600 [72] | 7 ลิตร ~ 72 กิโลวัตต์ชั่วโมง | ~6กก. |
แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า | 165 [1] : 166 | 20 กิโลวัตต์ชั่วโมง | ~120 กก. |
ในการใช้งานจริง ความเร็วในการชาร์จมีความสำคัญมากกว่าความจุของแบตเตอรี่ (ดูหัวข้อการชาร์จใหม่) แบตเตอรี่ EV ทั่วไปในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลจะมีน้ำหนัก 300 ถึง 1,000 กิโลกรัม (660 ถึง 2,200 ปอนด์) [73]ทำให้วิ่งได้ไกล 150 ถึง 500 กิโลเมตร (90 ถึง 310 ไมล์) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ สไตล์การขับขี่ และประเภทของรถ
แม้ว่าจะมีระยะทางเท่ากับรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในทั่วไป ผู้ซื้อจะต้องมั่นใจว่ามีสถานีชาร์จที่เข้ากันได้และมีให้บริการอย่างแพร่หลายสำหรับรถของตน[74]
ณ ปี 2024 [อัปเดต]เรือไฟฟ้าและเครื่องบินขนาดใหญ่มีระยะทางวิ่งน้อยกว่าเรือเครื่องยนต์สันดาปภายใน การเปลี่ยนเรือทุกลำให้เป็นเรือไฟฟ้าต้องใช้ระบบชาร์จไฟแบบหลายเมกะวัตต์มาตรฐาน[75]แต่บางครั้งอาจใช้แบตเตอรี่แทนได้ เช่น สำหรับเรือขนส่งทางแม่น้ำ[76]ณ ปี 2024 [อัปเดต]เครื่องบินไฟฟ้าขนาดใหญ่ล้วนไม่สามารถวิ่งได้เกิน 1,000 กม. ภายในทศวรรษ ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถบรรลุระยะวิ่งที่เท่ากันสำหรับเที่ยวบินตามกำหนดการมากกว่าครึ่งหนึ่ง[77]
การออกแบบชุดแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า (EV) มีความซับซ้อนและแตกต่างกันอย่างมากตามผู้ผลิตและการใช้งานเฉพาะ อย่างไรก็ตาม ทั้งหมดนี้รวมเอาระบบส่วนประกอบทางกลและไฟฟ้าที่เรียบง่ายหลายระบบเข้าด้วยกัน ซึ่งทำหน้าที่พื้นฐานที่จำเป็นของชุดแบตเตอรี่[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
เซลล์แบตเตอรี่จริงอาจมีองค์ประกอบทางเคมี รูปร่างทางกายภาพ และขนาดที่แตกต่างกันตามที่ผู้ผลิตชุดแบตเตอรี่แต่ละรายต้องการ ชุดแบตเตอรี่จะประกอบด้วยเซลล์แยกกันจำนวนมากที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมและขนานเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ารวมตามข้อกำหนดของชุดแบตเตอรี่ ชุดแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าทั้งหมดสามารถมีเซลล์แยกกันหลายร้อยเซลล์ เซลล์แต่ละเซลล์มีแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด 3-4 โวลต์ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
เพื่อช่วยในการผลิตและการประกอบ เซลล์จำนวนมากจะถูกจัดกลุ่มเป็นกลุ่มที่เล็กกว่า เรียกว่าโมดูล โดยโมดูลเหล่านี้หลายโมดูลจะถูกจัดวางเป็นแพ็คเดียว ภายในแต่ละโมดูล เซลล์จะถูกเชื่อมเข้าด้วยกันเพื่อให้เส้นทางไฟฟ้าสำหรับการไหลของกระแสไฟฟ้าสมบูรณ์ โมดูลยังสามารถรวมกลไกการทำความเย็น การตรวจสอบอุณหภูมิ และอุปกรณ์อื่นๆ ไว้ด้วย โมดูลจะต้องอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดเพื่อประสิทธิภาพการทำงานที่เหมาะสมที่สุด[78]ในกรณีส่วนใหญ่ โมดูลยังอนุญาตให้ตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าที่ผลิตโดยเซลล์แบตเตอรี่แต่ละเซลล์ในกลุ่มโดยใช้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) [79]
เซลล์แบตเตอรี่มีฟิวส์หลักซึ่งจำกัดกระแสไฟของชุดแบตเตอรี่ภายใต้ไฟฟ้าลัดวงจร สามารถถอด "ปลั๊กบริการ" หรือ "ตัวตัดการเชื่อมต่อบริการ" เพื่อแยกชุดแบตเตอรี่ออกเป็นสองส่วนแยกไฟฟ้า เมื่อถอดปลั๊กบริการออกแล้ว ขั้วหลักที่เปิดออกของแบตเตอรี่จะไม่ก่อให้เกิดอันตรายทางไฟฟ้าที่อาจเกิดขึ้นกับช่างบริการ[79] [80]
ชุดแบตเตอรี่ประกอบด้วยรีเลย์หรือคอนแทคเตอร์ซึ่งควบคุมการจ่ายพลังงานไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ไปยังขั้วเอาต์พุต ในกรณีส่วนใหญ่ จะมีรีเลย์หลักอย่างน้อยสองตัวที่เชื่อมต่อชุดเซลล์แบตเตอรี่กับขั้วเอาต์พุตบวกและลบหลักของชุด ซึ่งจะจ่ายกระแสไฟฟ้าสูงให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อนไฟฟ้า การออกแบบชุดแบตเตอรี่บางแบบมีเส้นทางไฟฟ้าสลับสำหรับชาร์จระบบขับเคลื่อนล่วงหน้าผ่านตัวต้านทานชาร์จล่วงหน้าหรือสำหรับจ่ายไฟให้กับบัสเสริมซึ่งจะมีรีเลย์ควบคุมที่เกี่ยวข้องด้วย ด้วยเหตุผลด้านความปลอดภัย รีเลย์เหล่านี้จึงเปิดตามปกติทั้งหมด[79] [80]
ชุดแบตเตอรี่ยังประกอบด้วยเซ็นเซอร์อุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าหลากหลายชนิด การรวบรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์ชุดแบตเตอรี่และการเปิดใช้งานรีเลย์ชุดแบตเตอรี่ทำได้โดยหน่วยตรวจสอบแบตเตอรี่ (BMU) หรือ BMS ของชุดแบตเตอรี่ นอกจากนี้ BMS ยังรับผิดชอบในการสื่อสารกับยานพาหนะภายนอกชุดแบตเตอรี่อีกด้วย[79]
แบตเตอรี่ใน BEV จะต้องชาร์จเป็นระยะ BEV ชาร์จจากโครงข่ายไฟฟ้าที่บ้านหรือจากจุดชาร์จพลังงานที่ผลิตได้จากแหล่งพลังงานในครัวเรือนหลากหลายประเภท เช่นถ่านหิน พลังงาน ไฟฟ้าพลังน้ำพลังงานนิวเคลียร์ก๊าซธรรมชาติแผง โซลาร์เซลล์ แบบโฟโต วอลตาอิ ค และพลังงาน ลม
ด้วยแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสม อายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ดีมักจะทำได้โดยใช้อัตราการชาร์จไม่เกินครึ่งหนึ่งของความจุของแบตเตอรี่ต่อชั่วโมง ("0.5C") [81]ดังนั้นจึงใช้เวลาสองชั่วโมงขึ้นไปในการชาร์จจนเต็ม แต่สามารถชาร์จได้เร็วขึ้นได้แม้สำหรับแบตเตอรี่ที่มีความจุขนาดใหญ่[82]
เวลาในการชาร์จที่บ้านถูกจำกัดด้วยความจุของเต้ารับไฟฟ้า ภายในบ้าน เว้นแต่จะมีงานเดินสายไฟเฉพาะทาง ในสหรัฐอเมริกา แคนาดา ญี่ปุ่น และประเทศอื่นๆ ที่มี ไฟฟ้า 120 โวลต์ เต้ารับไฟฟ้าภายในบ้านทั่วไปจ่ายไฟได้ 1.5 กิโลวัตต์ในประเทศอื่นๆ ที่มี ไฟฟ้า 230 โวลต์ สามารถจ่ายไฟได้ระหว่าง 7 ถึง 14 กิโลวัตต์ (230 โวลต์ เฟสเดียว และ 400 โวลต์ สามเฟส ตามลำดับ) ในยุโรป การเชื่อมต่อกริดไฟฟ้า 400 โวลต์ (สามเฟส 230 โวลต์) ได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น เนื่องจากบ้านใหม่ๆ ไม่มีการเชื่อมต่อกับก๊าซธรรมชาติเนื่องจากข้อบังคับด้านความปลอดภัยของสหภาพยุโรป[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
ข้อมูลใหม่แสดงให้เห็นว่าการสัมผัสกับความร้อนและการใช้ระบบชาร์จด่วนทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไออนเสื่อมสภาพมากกว่าอายุและการใช้งานจริง และแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปจะคงความจุเดิมไว้ได้ 90% หลังจากใช้งานไป 6 ปีและ 6 เดือน ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ในNissan Leafจะเสื่อมสภาพเร็วกว่าแบตเตอรี่ใน Tesla ถึงสองเท่า เนื่องจาก Leaf ไม่มีระบบระบายความร้อนที่ทำงานอยู่ตลอดเวลาสำหรับแบตเตอรี่[83]
การชาร์จอย่างรวดเร็วทำให้ความกังวลเกี่ยวกับระยะทางการเดินทางที่จำกัดลดน้อยลง เนื่องจากสามารถลดระยะเวลาการหยุดที่สถานีชาร์จสาธารณะได้ เครือข่ายการชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า กำลังเติบโต [85]โดยใช้ไฟฟ้ากระแสตรง 150 กิโลวัตต์ขึ้นไป ซึ่งสามารถเพิ่มระยะทางได้ถึง 300 กม. ภายในเวลาพัก 30 นาทีตามปกติ ความเร็วในการชาร์จขึ้นอยู่กับพลังงานของสถานีชาร์จและโหลดสูงสุดที่รุ่น EV เฉพาะสามารถรองรับได้ เมื่อชาร์จเกิน 50% ความเร็วในการชาร์จมักจะช้าลง พลังงานในการชาร์จอย่างรวดเร็วโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 30 ถึง 80 กิโลวัตต์[84]การชาร์จที่บ้านหรือสถานีชาร์จขนาดเล็กที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับมักใช้เวลาหลายชั่วโมง ตารางนี้ใช้การคำนวณการใช้พลังงานทั่วไปที่ 15 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อ 100 กม. และคำนึงถึงว่าผู้ขับขี่ควรหยุดพักทุกๆ 300 กม. อยู่แล้ว
ระยะเวลาการเติมน้ำมัน/ชาร์จไฟ 300 กม. (45 กิโลวัตต์ชั่วโมง) | |||
---|---|---|---|
พิมพ์ | พลังอำนาจสูงสุด | กำลังเฉลี่ย | เวลา |
ดีเซล / เบนซิน | 5-10 นาที | ||
เทสล่ารุ่น Y | 250 กิโลวัตต์ | 87.7 กิโลวัตต์ (10-90%) [86] | 31 นาที |
โฟล์คสวาเกน อี-อัพ | 37 กิโลวัตต์ | 30 กิโลวัตต์[87] | 90 นาที (2 จุด) |
สามารถเชื่อมต่อพลังงานในการชาร์จกับรถยนต์ได้ 2 วิธี วิธีแรกคือการเชื่อมต่อไฟฟ้าโดยตรงที่เรียกว่าการเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้าวิธีนี้อาจง่ายเหมือนกับ การเชื่อมต่อ สายไฟหลักเข้ากับเต้าเสียบ แบบกันฝน ผ่านสายไฟความจุสูงพิเศษที่มีขั้วต่อเพื่อป้องกันผู้ใช้จากแรงดันไฟฟ้าสูงมาตรฐานการชาร์จรถยนต์แบบปลั๊กอินในปัจจุบันคือ ขั้วต่อแบบนำไฟฟ้า SAE 1772 (IEC 62196 ประเภท 1) ในสหรัฐอเมริกาACEAได้เลือกใช้VDE-AR-E 2623-2-2 (IEC 62196 ประเภท 2) สำหรับการใช้งานในยุโรป ซึ่งหากไม่มีสลัก หมายความว่าจะต้องใช้กำลังไฟเพิ่มเติมที่ไม่จำเป็นสำหรับกลไกการล็อก[ ต้องการอ้างอิง ]
วิธีที่สองเรียกว่าการชาร์จแบบเหนี่ยวนำ โดย จะเสียบ "แป้น" พิเศษเข้าไปในช่องบนรถ แป้นเป็นขดลวดหม้อแปลงหนึ่งขดลวดส่วนอีกขดลวดหนึ่งจะติดตั้งอยู่ในรถ เมื่อเสียบแป้นเข้าไปแล้ว วงจรแม่เหล็กจะจ่ายไฟให้กับชุดแบตเตอรี่ให้เสร็จสมบูรณ์ ในระบบการชาร์จแบบเหนี่ยวนำหนึ่งขดลวดจะติดอยู่กับด้านล่างของรถ และอีกขดลวดหนึ่งจะติดอยู่บนพื้นโรงรถ ข้อดีของวิธีการแบบเหนี่ยวนำก็คือไม่มีความเป็นไปได้ที่ไฟจะช็อตเนื่องจากไม่มีตัวนำที่โผล่ออกมา แม้ว่าอินเตอร์ล็อค ขั้วต่อพิเศษ และเครื่องตรวจจับไฟฟ้ารั่วจะทำให้การเชื่อมต่อแบบตัวนำปลอดภัยเกือบเท่ากัน การชาร์จแบบเหนี่ยวนำยังช่วยลดน้ำหนักของรถได้ โดยการย้ายส่วนประกอบการชาร์จออกจากรถมากขึ้น[88]ผู้สนับสนุนการชาร์จแบบเหนี่ยวนำจาก Toyota โต้แย้งในปี 1998 ว่าความแตกต่างของต้นทุนโดยรวมนั้นน้อยมาก ในขณะที่ผู้สนับสนุนการชาร์จแบบตัวนำจาก Ford โต้แย้งว่าการชาร์จแบบตัวนำมีประสิทธิภาพด้านต้นทุนมากกว่า[88]
ณ เดือนมิถุนายน พ.ศ. 2567 [อัปเดต]มีสถานที่มากกว่า 200,000 แห่งและสถานีชาร์จ EV 400,000 แห่งทั่วโลก[89]
ระยะทางของ BEV ขึ้นอยู่กับจำนวนและประเภทของแบตเตอรี่ที่ใช้ น้ำหนักและประเภทของรถ ตลอดจนภูมิประเทศ สภาพอากาศ และสมรรถนะของผู้ขับขี่ ก็มีผลกระทบต่อระยะทางของ ยานพาหนะแบบเดิมเช่นกัน ประสิทธิภาพ การแปลงยานพาหนะไฟฟ้าขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงเคมีของแบตเตอรี่ EV ที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้ระยะทาง 320–540 กม. (200–340 ไมล์) ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง[90]
ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่บางชนิดอาจเพิ่มขึ้นอย่างมากที่อุณหภูมิต่ำ[91]ซึ่งอาจทำให้ระยะการทำงานของยานพาหนะและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลงอย่างเห็นได้ชัด
ระบบเบรกแบบสร้างพลังงานใหม่สามารถขยายระยะทางได้สูงสุดถึง 50% ภายใต้สภาพการจราจรที่เลวร้ายโดยไม่ต้องหยุดรถโดยสมบูรณ์ มิฉะนั้น ระยะทางจะขยายได้ประมาณ 10 ถึง 15% ในการขับขี่ในเมือง และแทบจะไม่สำคัญในการขับขี่บนทางหลวง ขึ้นอยู่กับสภาพภูมิประเทศ[ จำเป็นต้องอ้างอิง ]
รถยนต์ไฟฟ้า (รวมทั้งรถโดยสารและรถบรรทุก) สามารถใช้รถพ่วงเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและรถพ่วงแบบเข็นได้ เพื่อขยายระยะทางการใช้งานเมื่อต้องการโดยไม่ต้องเพิ่มน้ำหนักในระหว่างการใช้งานระยะสั้นตามปกติ รถพ่วงแบบกระเช้าที่ปล่อยเชื้อเพลิงแล้วสามารถเปลี่ยนเป็นรถพ่วงแบบชาร์จไฟได้ระหว่างทาง หากเช่ามา ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาสามารถเลื่อนให้กับหน่วยงานได้
ความจุของแบตเตอรี่เสริมที่บรรทุกในรถพ่วงสามารถเพิ่มระยะทางวิ่งโดยรวมของยานพาหนะได้ แต่ยังเพิ่มการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการลากของอากาศพลศาสตร์เพิ่ม ผล การถ่ายเทน้ำหนักและลดความสามารถ ในการยึดเกาะ
ทางเลือกอื่นในการชาร์จแบตเตอรีคือการเปลี่ยนแบตเตอรีที่หมดหรือใกล้จะหมด (หรือโมดูลขยายระยะแบตเตอรี ) ด้วยแบตเตอรีที่ชาร์จเต็ม วิธีนี้เรียกว่าการสลับแบตเตอรีและจะทำที่สถานีเปลี่ยนแบ ตเตอ รี[92]
คุณสมบัติของสถานีสับเปลี่ยนได้แก่: [93]
ข้อกังวลเกี่ยวกับสถานีสับเปลี่ยนรวมถึง:
สมาร์ทกริดช่วยให้ BEV สามารถจ่ายพลังงานให้กับกริดได้ตลอดเวลา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง:
ปัญหาความปลอดภัยของรถยนต์ไฟฟ้าแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ได้รับการจัดการโดยมาตรฐานสากลISO 6469 โดยมาตรฐานนี้แบ่งออกเป็น 3 ส่วน:
เจ้าหน้าที่ดับเพลิงและเจ้าหน้าที่กู้ภัยได้รับการฝึกอบรมพิเศษเพื่อรับมือกับแรงดันไฟฟ้าและสารเคมีที่สูงกว่าที่พบในอุบัติเหตุรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด แม้ว่าอุบัติเหตุรถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดอาจก่อให้เกิดปัญหาที่ไม่ปกติ เช่น ไฟไหม้และควันพิษอันเป็นผลมาจากการคายประจุแบตเตอรี่อย่างรวดเร็ว แต่ผู้เชี่ยวชาญหลายคนเห็นด้วยว่าแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดมีความปลอดภัยในรถยนต์ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์และในการชนท้าย และปลอดภัยกว่ารถยนต์ขับเคลื่อนด้วยน้ำมันเบนซินที่มีถังน้ำมันเบนซินอยู่ด้านหลัง[96]
โดยทั่วไปการทดสอบประสิทธิภาพของแบตเตอรี่จะรวมถึงการพิจารณาสิ่งต่อไปนี้:
การทดสอบประสิทธิภาพจะจำลองรอบการขับเคลื่อนของระบบส่งกำลังของรถยนต์ไฟฟ้าแบบใช้แบตเตอรี่ (BEV) รถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด (HEV) และรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริดแบบเสียบปลั๊ก (PHEV) ตามข้อกำหนดที่จำเป็นของผู้ผลิตยานยนต์ ( OEM ) ในระหว่างรอบการขับเคลื่อนเหล่านี้ จะสามารถทำการระบายความร้อนของแบตเตอรี่ที่ควบคุมได้ ซึ่งจำลองสภาวะความร้อนภายในรถยนต์
นอกจากนี้ ห้องควบคุมสภาพอากาศยังช่วยควบคุมสภาพแวดล้อมระหว่างการทดสอบ และสามารถจำลองช่วงอุณหภูมิและสภาพอากาศของยานยนต์ได้เต็มรูปแบบ[35]
สิทธิบัตรอาจใช้เพื่อยับยั้งการพัฒนาหรือการใช้เทคโนโลยีแบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่น สิทธิบัตรที่เกี่ยวข้องกับการใช้เซลล์นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ในรถยนต์ถือครองโดยบริษัทแยกย่อยของChevron Corporationซึ่งเป็นบริษัทปิโตรเลียม ซึ่งยังคงมีอำนาจยับยั้งการขายหรือการอนุญาตสิทธิ์เทคโนโลยี NiMH [97] [98]
ณ เดือนธันวาคม พ.ศ. 2562 มีแผนที่จะลงทุนเงินหลายพันล้านยูโรในการวิจัยทั่วโลกเพื่อปรับปรุงแบตเตอรี่[99] [100]
นักวิจัยได้เสนอข้อควรพิจารณาในการออกแบบเครื่องชาร์จ BEV แบบไร้สัมผัส ระบบถ่ายโอนพลังงานแบบเหนี่ยวนำ (ICPT) ถูกสร้างขึ้นเพื่อถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพจากแหล่งหลัก (สถานีชาร์จ) ไปยังแหล่งรองหนึ่งแหล่งขึ้นไป (BEV) ในลักษณะไร้สัมผัสผ่านการเชื่อมต่อแม่เหล็ก[101]
ยุโรปมีแผนการลงทุนอย่างหนักในการพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า และอินโดนีเซียมีเป้าหมายที่จะผลิตแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าในปี 2023 โดยเชิญบริษัทแบตเตอรี่จีนอย่าง GEM และContemporary Amperex Technology Ltdมาลงทุนในอินโดนีเซีย[102] [ 103 ] [104] [105] [106] [107] [108] [109]
ตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบสองชั้น (หรือ "ตัวเก็บประจุแบบอัลตรา") ใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าบางรุ่น เช่น ต้นแบบแนวคิดของ AFS Trinity เพื่อจัดเก็บพลังงานที่มีอย่างรวดเร็วด้วยกำลังจำเพาะสูง เพื่อให้แบตเตอรี่อยู่ภายในขีดจำกัดความร้อนต้านทานที่ปลอดภัยและยืดอายุแบตเตอรี่[110] [111]
เนื่องจากอุลตร้าคาปาซิเตอร์ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มีพลังงานจำเพาะต่ำ รถยนต์ไฟฟ้าที่ผลิตขึ้นจึงไม่ใช้แต่เฉพาะอุลตร้าคาปาซิเตอร์เท่านั้น
ในเดือนมกราคม 2020 อีลอน มัสก์ซีอีโอของTeslaกล่าวว่าความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำให้ตัวเก็บประจุอัลตราไม่จำเป็นสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า[112]
เมื่อวันที่ 2 พฤษภาคม 2022 ประธานาธิบดีไบเดนประกาศว่ารัฐบาลจะเริ่มแผนงานมูลค่า 3.16 พันล้านดอลลาร์เพื่อส่งเสริมการผลิตในประเทศและการรีไซเคิลแบตเตอรี่ โดยเป็นความพยายามครั้งใหญ่เพื่อเปลี่ยนประเทศจากรถยนต์ที่ใช้น้ำมันมาเป็นรถยนต์ไฟฟ้า เป้าหมายของรัฐบาลไบเดนคือให้การผลิตยานยนต์ครึ่งหนึ่งของสหรัฐฯ เป็นรถยนต์ไฟฟ้าภายในปี 2030 [113]
พระราชบัญญัติลดอัตราเงินเฟ้อซึ่งผ่านเมื่อวันที่ 16 สิงหาคม 2022 มีเป้าหมายเพื่อจูงใจการผลิตพลังงานสะอาดด้วยเครดิตภาษีผู้บริโภคมูลค่า 7,500 ดอลลาร์สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ที่ผลิตในสหรัฐอเมริกา และเงินอุดหนุนสำหรับโรงงานรถยนต์ไฟฟ้า ภายในเดือนตุลาคม 2022 มีการประกาศการลงทุนมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์สำหรับโรงงานแบตเตอรี่ในสหรัฐอเมริกากว่าสองโหล ซึ่งทำให้ผู้วิจารณ์บางคนขนานนามมิดเวสต์ว่า "เข็มขัดแบตเตอรี่" [114] [115]