แทงบอล

แทงบอล | AI Dragonfly ช่วยยืดแบตเตอร์รี่

แบตเตอรี่มีความสำคัญมากกว่าที่เคยในขณะที่ขับเคลื่อนรถยนต์ ให้พลังงานแก่อุปกรณ์มากมายของเรา และแม้กระทั่งอนุญาตให้เครื่องบินทดลองบางลำบินได้ แต่เทคโนโลยีแบตเตอรี่ยังอีกยาวไกล ก่อนที่เราจะได้เห็นการใช้ยานพาหนะไฟฟ้าอย่างแพร่หลายมากขึ้น แบตเตอรี่แล็ปท็อปที่มีอายุการใช้งานยาวนานหลายเดือน และเที่ยวบินที่ยาวนานขึ้นบนเครื่องบินไฟฟ้า นั่นเป็นเหตุผลที่วิศวกรและนักวิจัยทั่วโลกต่างมองหานวัตกรรมแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ต่อไปอย่างต่อเนื่อง หากเป็นคนธรรมดายังคงต้องมีเงินทุนในการทำสิ่งต่างๆ ซึ่งเงินทุนอาจมาจาก การเล่นการพนัน การ แทงบอล ซึ่งไม่ใช่กับนักวิจัยที่สามารถได้มาจากการลงทุนร่วมหุ้นส่วนกัน

ปัจจุบันเรามีการใช้งานแบตเตอร์รี่ที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เพิ่มขึ้นมากกว่าแต่ก่อนจากการใช้ถ่านไฟ ที่เผาเอง หรือแม้แต่แบตเตอร์รี่ก้อนเล็ก ๆ ซึ่งมีผลอย่างมากต่อชีวิตประจำวันของเราทุกคน มนุษย์เริ่มมีการพัฒนามาเรื่อย ๆ จากรุ่น สู่รุ่น โดยไม่มีการหยุดพัฒนา ทำให้ปัจจุบัน เรามีอุปกรณ์ที่สามารถใช้งานได้สะดวกสบายจากการคิดค้นของรุ่นก่อนๆ และปัจจุบันก็ยังคงมีการพัฒนาของคนรุ่นปัจจุบันอยู่เรื่อย ๆ ทั่วโลก แต่การใช้งานแบตเตอรรี่ยังคงมีการเสื่อมสภาพ และยังใช้เวลาในการชาร์จมากอีกด้วย จึงทำให้มีนักวิจัยหลายท่าน คิดค้นวิธีที่จะช่วยแก้ปัญหานี้

ตามรายงานที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ ใน Nature Communications นักวิจัยจาก Carnegie Mellon ได้ใช้ระบบ
หุ่นยนต์และปัญญาประดิษฐ์ ที่รวมกันเพื่อออกแบบอิเล็กโทรไลต์ที่ดีขึ้น สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ทีมงานกำลังมองหาอิเล็กโทรไลต์ ที่จะช่วยให้แบตเตอรี่ชาร์จเร็วขึ้น ซึ่งเป็นหนึ่งในปัญหาใหญ่ที่สุดในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบัน และเป็นอุปสรรคสำคัญในการนำรถยนต์ไฟฟ้าไปใช้อย่างแพร่หลาย

แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนคืออะไร แทงบอล

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) เป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ขั้นสูงที่ใช้ลิเธียมไอออนเป็นส่วนประกอบสำคัญของไฟฟ้าเคมี ระหว่างวงจรการคายประจุ อะตอมลิเธียมในแอโนดจะถูกแตกตัวเป็นไอออนและแยกออกจากอิเล็กตรอน ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนที่จากแอโนดและผ่านอิเล็กโทรไลต์จนกว่าจะถึงแคโทด ซึ่งจะรวมตัวกับอิเล็กตรอนอีกครั้งและทำให้เป็นกลางทางไฟฟ้า ลิเธียมไอออนมีขนาดเล็กพอที่จะเคลื่อนที่ผ่านตัวคั่นขนาดเล็กที่ซึมผ่านได้ระหว่างแอโนดและแคโทด ส่วนหนึ่งเป็นเพราะลิเธียมมีขนาดเล็ก (เป็นอันดับสามของไฮโดรเจนและฮีเลียมเท่านั้น) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงมีแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก และการจัดเก็บประจุต่อหน่วยมวลและปริมาตรต่อหน่วย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถใช้วัสดุหลายชนิดเป็นอิเล็กโทรดได้ ส่วนผสมที่พบบ่อยที่สุดคือลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (แคโทด) และกราไฟต์ (แอโนด) ซึ่งมักพบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อป วัสดุแคโทดอื่นๆ ได้แก่ ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (ใช้ในรถยนต์ไฮบริดไฟฟ้าและรถยนต์ไฟฟ้า) และลิเธียมไอรอนฟอสเฟต แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักใช้อีเธอร์ (สารประกอบอินทรีย์ประเภทหนึ่ง) เป็นอิเล็กโทรไลต์

แทงบอล

ข้อดีของแบตเตอรี่ Li-ion คืออะไร? 

เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟคุณภาพสูงอื่นๆ (นิกเกิล-แคดเมียมหรือนิกเกิล-เมทัล-ไฮไดรด์) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อดีหลายประการ มีความหนาแน่นพลังงานสูงที่สุดเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบัน (100-265 Wh/kg หรือ 250-670 Wh/L) นอกจากนี้ เซลล์แบตเตอรี่ Li-ion ยังสามารถจ่ายไฟได้สูงถึง 3.6 โวลต์ ซึ่งสูงกว่าเทคโนโลยีอย่าง Ni-Cd หรือ Ni-MH ถึง 3 เท่า ซึ่งหมายความว่าสามารถจ่ายกระแสไฟในปริมาณมากสำหรับการใช้งานที่ใช้พลังงานสูง ซึ่งมีแบตเตอรี่ Li-ion ที่มีการบำรุงรักษาที่ค่อนข้างต่ำ และไม่จำเป็นต้องมีการปั่นจักรยานตามกำหนดเวลาเพื่อรักษาอายุการใช้งานแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่มีเอฟเฟกต์หน่วยความจำ ซึ่งเป็นกระบวนการที่เป็นอันตรายซึ่งวงจรการคายประจุ/การชาร์จบางส่วนซ้ำๆ อาจทำให้แบตเตอรี่ ‘จดจำ’ ความจุที่ต่ำลงได้ นี่เป็นข้อได้เปรียบเหนือทั้ง Ni-Cd และ Ni-MH ซึ่งแสดงผลนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังมีอัตราการคายประจุเองต่ำประมาณ 1.5-2% ต่อเดือน ไม่มีแคดเมียมที่เป็นพิษ ซึ่งทำให้กำจัดได้ง่ายกว่าแบตเตอรี่ Ni-Cd

ด้วยข้อดีเหล่านี้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเปลี่ยนแบตเตอรี่ Ni-Cd ในฐานะผู้นำตลาดในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา (เช่น สมาร์ทโฟนและแล็ปท็อป) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับระบบไฟฟ้าสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องบินโบอิ้ง 787 รุ่นใหม่ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น โดยที่น้ำหนักเป็นปัจจัยด้านต้นทุนที่สำคัญ จากมุมมองของพลังงานสะอาด สัญญาส่วนใหญ่เกี่ยวกับเทคโนโลยี Li-ion มาจากการใช้งานที่มีศักยภาพในรถยนต์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ปัจจุบัน รถยนต์ไฟฟ้าที่ขายดีที่สุดอย่าง Nissan Leaf และ Tesla Model S ต่างก็ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแหล่งเชื้อเพลิงหลัก

ข้อเสียของแบตเตอรี่ Li-ion มีอะไรบ้าง? 

แม้จะมีคำสัญญาทางเทคโนโลยี แต่แบตเตอรี่ Li-ion ยังมีข้อบกพร่องหลายประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องที่เกี่ยวกับความปลอดภัย แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป และอาจได้รับความเสียหายที่แรงดันไฟฟ้าสูง ในบางกรณีอาจนำไปสู่การหลบหนีจากความร้อนและการเผาไหม้ สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการลงจอดของฝูงบินโบอิ้ง 787 หลังจากมีรายงานไฟไหม้แบตเตอรี่บนเครื่องบิน เนื่องจากความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่เหล่านี้ บริษัทขนส่งหลายแห่งปฏิเสธที่จะดำเนินการจัดส่งแบตเตอรี่จำนวนมากโดยเครื่องบิน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องการกลไกด้านความปลอดภัยเพื่อจำกัดแรงดันไฟและแรงดันภายใน ซึ่งสามารถเพิ่มน้ำหนักและจำกัดประสิทธิภาพในบางกรณี แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังมีอายุการใช้งาน ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่อาจสูญเสียความจุและมักจะล้มเหลวหลังจากผ่านไปหลายปี อีกปัจจัยหนึ่งที่จำกัดการยอมรับอย่างกว้างขวางคือต้นทุน ซึ่งสูงกว่า Ni-Cd ประมาณ 40% การแก้ไขปัญหาเหล่านี้เป็นองค์ประกอบสำคัญสำหรับการวิจัยในปัจจุบันเกี่ยวกับเทคโนโลยี สุดท้าย แม้ว่า Li-ion จะมีความหนาแน่นพลังงานสูงเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่น แต่ก็ยังมีความหนาแน่นพลังงานน้อยกว่าน้ำมันเบนซินประมาณร้อยเท่า (ซึ่งมี 12,700 Wh/kg โดยมวล หรือ 8760 Wh/L โดยปริมาตร)

แทงบอล

ทำไมต้องแบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออน แทงบอล

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มีแคโทดและแอโนดล้อมรอบด้วยอิเล็กโทรไลต์ เมื่อประจุถูกประจุ ไอออนจะเคลื่อน
ผ่านอิเล็กโทรไลต์จากแคโทดไปยังแอโนด (และในทางกลับกันเมื่อปล่อยประจุ) 
องค์ประกอบที่แน่นอนของ
อิเล็กโทรไลต์จะกำหนดว่าแบตเตอรี่จะชาร์จ คายประจุ และดำเนินการได้เร็วเพียงใด การปรับสารละลาย
อิเล็กโทรไลต์ให้เหมาะสมจึงเป็นหนึ่งในความท้าทายหลักสำหรับนักออกแบบแบตเตอรี่ 

ทีมวิจัยใช้การจัดเรียงอัตโนมัติของปั๊ม วาล์ว ภาชนะ และอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการอื่น ๆ ที่พวกเขาขนานนามว่า
“คลีโอ” เพื่อผสมอัตราส่วนต่างๆ ของตัวทำละลายที่มีศักยภาพสามตัวและเกลือหนึ่งตัวเข้าด้วยกัน ดังที่รายงานดังกล่าวระบุว่า “นวัตกรรมแบตเตอรี่อาจใช้เวลาหลายปีกว่าจะส่งมอบ” ส่วนหนึ่ง เพราะมีสารเคมีที่มีศักยภาพมากมายที่สามารถนำไปใช้ในอัตราส่วนต่างๆ ที่ปรับให้เหมาะสมได้นั้น “ใช้เวลานานและลำบาก” อย่างน้อยก็สำหรับผู้คน แต่ด้วยชิ้นส่วนอัตโนมัติต่างๆ ของมัน คลีโอจึงสามารถทำการทดลองได้เร็วกว่ามาก

[ที่เกี่ยวข้อง: ทำไม Dyson ถึงใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตแบบ all-in ]

เพื่อขจัดองค์ประกอบของมนุษย์ออกไป ผลลัพธ์ของ Clio ถูกป้อนเข้าสู่ระบบการเรียนรู้ด้วยเครื่องที่เรียกว่า “แมลงปอ” ที่วิเคราะห์ข้อมูลเพื่อค้นหารูปแบบและเสนออัตราส่วนทางเลือกที่อาจทำงานได้ดีกว่า จากนั้นคลีโอจึงทำการทดลองที่เสนอใหม่โดยอัตโนมัติ ซึ่งช่วยให้ Dragonfly สามารถเพิ่มประสิทธิภาพสูตรเคมีให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

โดยรวมแล้ว การทำงานกับเกลือเพียงตัวเดียวและตัวทำละลายสามตัว Clio และ Dragonfly สามารถทำการทดลอง 42 ครั้งในสองวัน และได้สารละลายหกชนิดที่ทำงานได้ดีกว่าสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีอยู่ซึ่งทำจากสารเคมีสี่ชนิดเดียวกัน เซลล์ทดสอบที่ดีที่สุดที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่พัฒนาโดยหุ่นยนต์ AI ตัวหนึ่งนั้นมีประสิทธิภาพการทำงานที่ดีขึ้น 13 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเซลล์ทดสอบที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด โดยใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีจำหน่ายทั่วไป

ในการให้สัมภาษณ์กับMIT Technology Review นั้น Venkat Viswanathan รองศาสตราจารย์ที่ Carnegie Mellon และหนึ่งในผู้เขียนร่วมของบทความ Nature Communications อธิบายว่าปัญหาในการทำงานกับส่วนผสมของอิเล็กโทรไลต์คือ คุณสามารถรวมมันเข้าด้วยกันได้ “หลายพันล้านวิธี” ก่อนหน้านี้ การวิจัยส่วนใหญ่อาศัยการคาดเดา สัญชาตญาณ และการลองผิดลองถูก คลีโอและแมลงปอสามารถทดสอบทางเลือกต่างๆ ได้มากกว่านักวิจัยในมนุษย์ โดยปราศจากอคติและสามารถหมุนเวียนไปตามเงื่อนไขการทดลองได้อย่างรวดเร็ว และไม่ถูกรบกวนจากความคิดอุปาทานของพวกเขา จากนั้นพวกเขาสามารถใช้สิ่งที่เรียนรู้จากการทดลองแต่ละครั้งและปรับแต่งสิ่งต่าง ๆ เพื่อค้นหาอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสิ่งที่ทีมนักวิจัยต้องการ

ในกรณีนี้ Clio และ Dragonfly กำลังปรับความเร็วในการชาร์จให้เหมาะสม แต่การทดลอง “วงปิด” ที่คล้ายกันสามารถเพิ่มประสิทธิภาพความจุ เวลาคายประจุ แรงดันไฟฟ้า และปัจจัยอื่นๆ ทั้งหมดที่มีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ อันที่จริง ทีมงานคิดว่างานของพวกเขาจะ “มีประโยชน์มากกว่าชุมชนแบตเตอรี่” โดยอ้างว่า “แพลตฟอร์มหุ่นยนต์ที่ออกแบบเอง การวางแผนการทดลอง และการรวมเข้ากับการทดสอบอุปกรณ์จะเป็นประโยชน์ในการปรับแพลตฟอร์มการค้นพบอัตโนมัติอื่นๆ ให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานด้านพลังงานและวัสดุ วิทยาศาสตร์โดยทั่วไป”

ทีมงานที่ Carnegie Mellon ไม่ใช่คนเดียวที่สำรวจว่าแมชชีนเลิร์นนิงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการพิจารณาด้านการออกแบบและตัวแปรที่ซับซ้อนซึ่งเกี่ยวข้องกับการผลิต การบำรุงรักษา และการชาร์จแบตเตอรี่ได้อย่างไร เมื่อปลายเดือนที่แล้ว ทีมนักวิจัยของรัฐบาลที่ Department of Energy-run Idaho National Laboratory ประกาศว่าพวกเขาได้พบวิธีที่จะชาร์จรถยนต์ไฟฟ้าได้อย่างปลอดภัยและเชื่อถือได้มากถึง 90 เปอร์เซ็นต์ภายในเวลาเพียง 10 นาที พวกเขาใช้อัลกอริธึมการเรียนรู้ของเครื่องเพื่อวิเคราะห์จุดข้อมูลระหว่าง 20,000 ถึง 30,000 จุดจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประเภทต่างๆ เพื่อค้นหาวิธีการชาร์จใหม่ที่มีประสิทธิภาพและปลอดภัยที่สุด จากนั้นพวกเขาสามารถยืนยันผลลัพธ์ได้โดยการทดสอบโปรโตคอลการชาร์จที่พัฒนาขึ้นใหม่กับแบตเตอรี่จริง

และในขณะที่อิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นพรมแดนสำหรับการวิจัยแบตเตอรี่ อีกวิธีหนึ่งเกี่ยวข้องกับการสำรวจวิธีการแทนที่ของเหลวนั้นด้วยของแข็งแทน