หลังจากที่ Tesla ได้เคยเปิดตัวแบต 4680 ไปในงาน Tesla’s Battery Day ไปกันเมื่อปีที่แล้วนะครับ ซึ่งผมได้ทำการ live กับพี่ไช้(เจ้าของ Tesla Model 3 และ Admin กลุ่ม EV Club Thailand)ไปเรียบร้อยในคลิปด้านล่างนี้แล้วนะครับ
ที่ผ่านมานั้นผมได้เคยเขียนโพสเกี่ยวกับการออกแบบ cell battery 4680 แบบ tabless , กรรมวิธีการผลิตแบต Tabless , ผลิตได้เร็วกว่าระบบเดิมถึง 7 เท่า หรือไม่ว่าจะเป็นการลดต้นทุนแบต : Tesla เอาซิลิคอนมาเป็นวัสดุในการทำแบต 4680 ลดต้นทุนไปได้ถึง 37 % ไปนะครับ
แต่ผมยังไม่เคยเจาะลึกสเปคแบต 4680 ไปเลยและจำได้ว่ามีสมาชิกเพจถามเข้ามาว่าแบต 4680 นี้มันดีกว่าแบตรุ่นเก่าของ Tesla ยังไงบ้าง เช่นความเร็วในการชาร์จ, ความจุ, หรือการระบายความร้อน
แบต 4680 คืออะไร?
สำหรับคนที่อยู่ในวงการรถยนต์ไฟฟ้ามาซักพักแล้วคงรู้คำตอบนี้ดีแหละครับ แต่ยังไงผมขออธิบายอีกรอบเพื่อให้ทุกคนเข้าใจที่มาขอคำว่า 4680 นะครับ
แบต 4680 นั้นใช้รูปแบบการสร้างทรงกระบอก ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ 46 มิลลิเมตร และมีขนาดความสูง 80 มิลลิเมตรครับ ส่วนแบตที่ใช้งานกันรถยนต์ไฟฟ้า Tesla Model 3 และ Model Y ในปัจจุบันคือ 2170 ถ้าให้ท่านผู้อ่านเดาตอนนี้คงเดาไม่ยากใช่ไหมครับว่า 2170 มาจากอะไร อิๆ
2170 ก็เหมือน 4680 แหละครับ คือมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ 21 มิลลิเมตร และมีขนาดความสูง 70 มิลลิเมตรครับ
ส่วน Tesla Model S และ Model X นั้นใช้แบต 18650 จริงๆ ผมก็งงใจกับ Tesla ที่เติมศูนย์เข้ามาอีกตัวให้มึนหัวเล่นนะครับ เพราะจริงๆ แล้วแบต 18650 มีเส้นผ่านศูนย์กลางที่ 18 มิลลิเมตร และมีขนาดความสูง 65 มิลลิเมตรครับ
ความแรงในการชาร์จ
ทาง insideevs ได้นำแบต 4680 ที่จะใช้ในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ของ Tesla หลังปีนี้ไปมาเปรียบเทียบกับแบตรุ่นล่าสุดซึ่งก็คือรหัส 2170 ที่ใช้งานใน Tesla Model 3 และ Model Y มาเปรียบเทียบในตารางด้านล่างนะครับ
หมายเหตุ : แบตทั้งสองก้อนนั้นได้ทดสอบชาร์จ ณ ขนาดที่แบตมีอุณหภูมิ 85 F หรือ 29 C ครับ
เราจะเห็นได้ว่า แบต 2170 รับไฟได้สูงสุดเพียง 250 kW เท่านั้นเองแถมรับอัตราไฟนั้นได้เพียง 3 นาทีเท่านั้นก่อนแบตจะเริ่มลดกำลังการรับประจุไฟลง(charging) และลดลงแบบฮวบฮาบไปถึง 150 kW ภายในระยะเวลาเพียง 4 นาทีเท่านั้น ถ้าดูอีกมุมคือกว่าแบต 2170 จะชาร์จเต็ม 80% SoC นั้นจะใช้ระยะเวลา 26 นาทีครับ (อันนี้คือต้องใช้สถานีชาร์จ Tesla Supercharger V3 ที่สามารถปล่อยไฟได้สูงสุดถึง 250 kW นะครับ ส่วน Supercharger ธรรมดานั้นจะปล่อยไฟได้สูงสุดเพียง 150 kW เท่านั้น)
มาดูอีกฝั่งคือ แบต 4680 นั้นจะสามารถรับกำลังไฟสูงุสดที่ 275 kW เป็นระยะเวลา 6 นาทีหรือมากกว่าแบต 2170 อยู่ 1 เท่าครับ และจากนั้นตัวแบตจะตัดการรับประจุไฟลงเหลือ 250 kW หรือถ้าจะเทียบกันจริงๆคือ แบต 4680 สามารถรับประจุไฟที่สูงกว่า 250 kW ได้นานถึง 8 นาทีหรือมากกว่า 2170 อยู่ 2.5 เท่าเลยครับ
อีกมุมนึงที่อยากให้ดูก็คือ แบต 4680 นั้นจะชาร์จเต็ม 80 % ภายในระยะเวลา 16 นาทีหรือเร็วกว่าแบต 2170 ประมาณ 10 นาทีครับ อันนี้ก็เรียกได้ว่า แบต 4680 นั้นทำลายกำแพงเวลาการชาร์จของรถยนต์ไฟฟ้าให้ต่ำถึง 16 นาทีได้แล้วนะครับ
ระยะเวลาในการชาร์จ
ถ้าจับรถยนต์ไฟฟ้า Tesla ที่ใส่แบต 4680 มาชาร์จแข่งกับแบต 2170 ด้วย SoC (State of Charge ระดับแบตคงเหลือ) ที่ 10 % ให้เต็ม 80 % นั้น แบต 2170 จะสามารถรับไฟ 250 kW ได้จาก 10 – 25 % เท่านั้นจากนั้นกำลังไฟจะลดฮวบลงมาแถวๆ 125 kW ตอน SoC ที่ 40 % และลดลงไปเรื่อยๆ จนถึง 100 kW ที่ SoC 62 %
ในทางกลับกันแบต 4680 นั้นสามารถรับไฟที่ 275 kW ตั้งแต่ 10 % ถึง 45 % เลยทีเดียวครับ (รับยาวๆ ได้มากถึง 35 % รวดเดียวเลย) จากนั้นแบต 4680 จะลดกำลังไฟไปที่ 250 kW ณ SoC 49 % และค่อยๆ ลดลงถึง 175 kW ตอน SoC 62 % และลดลงมาที่ 150 kW ตอน SoC 72 % จนชาร์จไฟเต็ม 80 %
แค่ดูกราฟนี้ก็เห็นได้แล้วว่า Tesla ได้แก้ไขปัญหาคอขวดได้จริงๆครับ เค้าทำการแก้ไขเรื่อง Tab ได้จริงๆ ทำให้กำลังไฟนั้นสามารถเข้าแบตได้มากกว่ารุ่นก่อนหน้า(แบต 2170)
ระบายความร้อนได้ดีขึ้น
แบต 18650 (ใน Tesla Model S และ Tesla Model X) และแบต 2170 (ใน Tesla Model 3 และ Tesla Model Y) นั้นใช้หลักการในการระบายความร้อนออกข้างนะครับ แต่อย่าลืมว่า 18650 กับ 2170 นั้นมี tab ครับ ดังนั้นความร้อนของแบตรุ่นเก่าเหล่านั้นจะไปสะสมที่ Tab ครับ
ถ้าให้เปรียบเทียบแบบเข้าใจง่ายๆ ก็คงเปรียบแบตเตอรี่ให้เป็นเหมือนแทงค์น้ำ ส่วน Tab ก็คือก๊อกน้ำครับ คราวนี้ถ้าต้องการใช้น้ำเยอะๆ ก็ต้องเปิดก๊อกให้สุด ข้อแตกต่างระหว่างแบตกับแท๊งค์น้ำคือการเปิดก๊อกน้ำเพื่อระบายน้ำไม่ได้เกิดความร้อนแต่อย่างใดครับ แต่การคายประจุเร็วๆ หรืออัดประจุเร็วๆ จะทำให้เกิดความร้อนสะสมครับ
ยกตัวอย่างง่ายๆ เวลาคุณชาร์จมือถือด้วยแท่นชาร์จเร็ว ความร้อนสะสมก็จะเริ่มเกิดใช่ไหมครับ? ยิ่งแบตมีขนาดใหญ่ขึ้นเท่าใดความร้อนจะไปสะสมที่ Tab (แปลว่า ขั้วหรือสะพานไฟ)มากขึ้นเท่านั้นครับ
ส่วนภาพด้านล่างนี้คือการออกแบบแบตในปัจจุบัน(แบบเก่า)ซึ่งเค้าเรียกมันว่า Jelly-Roll Design หรือการสร้างแบตแบบวุ้นม้วนครับ ซึ่งเป็นการสร้างแบบเหมือนพวกแบต AA บ้านเรานี่แหละครับคือเอาวัสดุมาห่อรังแบตทีล่ะชั้นจากนั้นจะมี Cathode tab หรือขั้วแบตเอาไว้สำหรับเป็นทางเข้า-ออกของกระแสไฟครับ ซึ่งวิธีการนี้มันทำให้เกิดความร้อนสะสมที่ตัวแบตครับ
Tab เอาไว้ทำอะไร?
พูดเกี่ยวกับ Tab เรื่อยๆ ทุกคนก็จะเห็นภาพเพียงแค่ว่ามันคือสะพานไฟน่ะครับแต่ยังไม่เข้าใจอยู่ดีว่าแบตเตอรี่นั้นใช้ tab ทำอะไรบ้างดังนั้นผมขออธิบายสั้นๆ ง่ายๆ แบบนี้ครับ
ทุกครั้งที่เราอัดประจุ(charge)ไฟเข้าแบตนั้นตัวอิเล็กตรอนมันจะวิ่งจาก cathode ไปยัง anode (จากลบไปบวก)
เวลาเราดึงไฟ(discharge)แบตเตอรี่มาใช้อิเล็กตรอนจากฝั่ง anode ก็จะกลับเข้าไปยัง cathode ยังไงล่ะครับ (เดินทางจากบวกไปลบ)
หมายเหตุ : อิเล็กตรอน (Electron) เป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเป็นลบวิ่งอยู่รอบๆ นิวเคลียสตามระดับพลังงานของอะตอมนั้นๆ โดยส่วนมากของอะตอม จำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าจะมีเท่ากับจำนวนโปรตอน เช่น ไฮโดรเจนมีโปรตอน 1 ตัว และอิเล็กตรอน 1 ตัว ฮีเลียมมีโปรตอน 2 ตัว และอิเล็กตรอน 2 ตัว – ที่มา : อิเล็กทรอน
ดังนั้นที่ผ่านมานั้น ค่ายรถยนต์ไฟฟ้าต่างๆ พยายามเลี่ยงที่จะสร้าง cell battery ที่มีขนาดใหญ่มาโดยตลอดครับเพราะเค้ารู้ว่าตัว tab จะทำงานหนักจนร้อนและทำให้ความร้อนสะสมนี้ลดทอนประสิทธิภาพของแบตครับ จนมาถึงวันนี้ Tesla ได้ค้นพบวิธีการกำจัดความร้อนสะสมที่ตัวแบตเตอรี่ได้แล้วครับ
แต่ 4680 นั้นออกแบบแตกต่างกันออกไปคือ
ออกแบบ 4680 เป็นแบบ Tabless
แทนที่จะแยกออกเป็นชั้นๆ แบบนั้น พี่อีลอนแกบอกว่า ก็จับรวมกันให้หมดเลยล่ะกัน เห้ยเอา separator (กำแพงแยก anode กับ cathode) ออกจากกันแบบนี้
- 114 คือ insulative (ฉนวน)
- 118 คือ conductive (ตัวนำไฟฟ้า)
- 102 คือ first substrate (ผิวชั้นแรก)
- 110 คือ first coating (สารเคลือบชั้นแรก)
- 302 คือ roller (ตัวม้วน)
ผู้อ่านทุกท่านกำลังงงใช่ไหมครับว่าการออกแบบจากการซ้อนกันเป็นแผ่นๆ ให้กลายเป็นการจัดเรียงแถวหน้ากระดานแบบนี้จะดีกว่ายังไง ลองคิดตามผมนะครับ ถ้าจะเดินเข้าออกคอนโดนึงที่มีความสูงเท่ากับตึก 10 ชั้น แล้วปรากฏว่าคอนโดนี้มีประตูเข้า-ออกเพียงประตูเดียวคือชั้นหนึ่ง เท่ากับว่าคนที่จะเดินเข้า-ออกหอพักนั้นจะต้องเดินลงมาชั้น 1 เพื่อเข้าออกหอพักใช่ไหมครับ
- คน ก็เปรียบเหมือนประจุไฟ
- ประตูทางเข้า-ออกหอพักก็เหมือน Tab ครับ
คราวนี้การออกแบบแบต 4680 ของ Tesla นั้นคือการสร้างทางเข้าออกหอพักทุกชั้นไปเลยครับ แบบว่า Tesla สร้างสะพานและทางเชื่อมต่อกับอาคารนั้นแบบรูปด้านล่างนี้ครับ
มันก็เหมือนเราสร้างสะพานนับร้อยอันเชื่อมต่อกับตึกคอนโดเพียงตึกเดียวครับและการที่คน(ประจุไฟ)สามารถเดินทางเข้าไปยังคอนโด(Anode, cathode) ได้อย่างอิสระ(Tabless) แบบนี้ก็เท่ากับว่าความร้อนก็กระจายไปทั่วแบต 4680 ก้อนนั้นทำให้เค้าสามารถลดความร้อนได้เร็ว ผลที่ได้ตามมาคือสามารถชาร์จไฟได้เร็วขึ้นและอายุการใช้งานก็ยาวขึ้นตามไปด้วยครับ
ผมแนบภาพด้านล่างจะเห็นได้ว่า แกนกลางคือแผ่นที่มี Cathode, Anode, และ separator อยู่นะครับ ส่วนที่เหลือคือทองแดงที่ทำหน้าที่เป็น tab เป็นพันๆ ชิ้นนี่แหละครับ การจ่ายไฟหรือเก็บไฟนั้นจะได้รวดเร็วกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าแบตที่มี Tab ครับ
ดังนั้นการผลิตแบต 4680 นั้นจะลดเส้นทาง electrical path จาก 250 mm เหลือเพียง 50 mm เท่านั้น ทำให้แบตมีประสิทธิภาพในการปล่อยประจุมากขึ้นอย่างมหาศาล (อย่าลืมครับว่าการที่ประจุ electron เดินทางไกลขึ้นก็สูญเสียพลังงานมากขึ้น ค่าโอม(ค่าความต้านทาน)ก็สูงขึ้นตามตัวเช่นกัน)
ลดการใช้ไฟฟ้าจากระบบระบายความร้อนมากกว่ารุ่นเก่า
ถ้าดูจากกราฟด้านล่างนั้น แบต 2170 (เส้นสีแดง) จะใช้ไฟฟ้าในการระบายความร้อนมากกว่าแบต 4680(เส้นสีดำ)ในทุกระดับการชาร์จครับ แท่งกราฟข้างคือแนวการกินไฟในแต่ล่ะช่วงอุณหภูมิภายนอกของรถ ส่วนเส้นด้านล่างคืออัตราการอัดประจุไฟเข้าแบต(Pack charging kW) ครับ ซึ่งจะเห็นได้ว่าต่อให้แบตชาร์จด้วยความเร็ว 250 kW ก็ตาม 4680 จะใช้ไฟต่ำกว่าแบต 2170 ถึง 12 kW ในการระบายความร้อนแบตเลยครับ
ซึ่งการออกแบบแบต 4680 แบบ Tabless นั้นสามารถส่งถ่ายความร้อนลงหัวและท้ายของก้อนแบตได้เร็วกว่าแบต 2170 ถึง 70% ครับ(tabless ความร้อนจะกระจายทุกทิศทาง)
ขนาดเล็กลง 30 %
ถ้ามองดูด้วยตาเปลี่ยนจะเห็นว่าเค้าได้เอารังแบต Tesla Model 3 ที่ใช้แบต 2170 มาเปรียบเทียบกับขนาดของรังแบต 4680 ที่ความจุเท่ากันคือ 75 KWh ครับซึ่งจะเห็นได้ว่าพื้นที่หายไปเกือบ 30 % ซึ่งนั่นก็แปลว่าหลังจากที่ Tesla หันไปใช้แบต 4680 แล้วนั้น Tesla Model 3 มีโอกาสได้เพิ่มความจุจาก 75 kWh เป็น 100 kWh แหละครับ
ที่มา : Insideevs
BLINK DRIVE TAKE
สรุปแบต 4680 :
- ใช้รูปแบบการระบายความร้อนแบบใหม่(Tabless) ลดความร้อนได้ถึง 70%
- แบต 4680 จุไฟได้มากกว่า ถ้าเอามาใส่ในรังแบต Tesla Model 3 นั้นจะสามารถเพิ่ม Range ได้อย่างต่ำ 30%
- ระยะเวลาในการชาร์จแบต 10-80% จะเหลือเพียง 16 นาที
- ชาร์จไฟได้แรงและไวกว่า 2170 อย่างมาก
- เป็นแบตก้อนแรกของโลกที่ออกแบบแบบ Tabless
