แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตสำหรับโดรน: โอกาสและความท้าทายทางวิศวกรรม

แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตเป็น "อนาคต" มานานจนวลีนี้เริ่มรู้สึกว่างเปล่า แต่ในการใช้งาน UAV โดยเฉพาะ เทคโนโลยีนี้ผ่านการเก็งกำไรในระยะเริ่มต้นไปแล้ว เซลล์โซลิดสเตตของจริงกำลังได้รับการทดสอบ ตรวจสอบ และในบางกรณีนำไปใช้ในแพลตฟอร์มโดรนเชิงพาณิชย์ และข้อดีด้านวิศวกรรมก็ชัดเจนกว่าที่เคยเป็นมา

ต่อไปนี้คือข้อมูลโดยสุจริตว่าแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตใดบ้างที่ใช้งานได้จริงกับโดรน และสิ่งที่ยังทำให้ใช้งานได้ยาก

เหตุใด Solid-State จึงสมเหตุสมผลสำหรับโดรน

ความแตกต่างพื้นฐานคืออิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ทั่วไปใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือเจล ซึ่งมีประสิทธิภาพ แต่ไวไฟและไวต่ออุณหภูมิสุดขั้ว แบตเตอรี่โซลิดสเตตจะแทนที่ด้วยวัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง และการทดแทนดังกล่าวจะก่อให้เกิดผลที่ตามมาที่เกี่ยวข้องโดยเฉพาะสำหรับการใช้งาน UAV

เสถียรภาพทางความร้อนที่ดีขึ้น อิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นตัวการหลักที่ทำให้เกิดการระบายความร้อนในแบตเตอรี่ LiPo นำของเหลวออก และคุณจะลบโหมดความล้มเหลวที่อันตรายที่สุดในเคมีลิเธียมออก สำหรับโดรนที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ใกล้น้ำหนักบรรทุกที่สร้างความร้อน หรือในการใช้งานที่ไฟจากแบตเตอรี่อาจเป็นหายนะ ความเสถียรนั้นมีความสำคัญอย่างมาก

ศักยภาพความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น สถาปัตยกรรมโซลิดสเตตเข้ากันได้กับแอโนดโลหะลิเธียม ซึ่งเก็บพลังงานต่อกรัมได้มากกว่าแอโนดกราไฟท์ที่ใช้ในเซลล์ลิเธียมไอออนและ LiPo ทั่วไป ในการใช้งานที่ต้องคำนึงถึงน้ำหนัก เช่น การออกแบบโดรน เพดานความหนาแน่นของพลังงานถือเป็นหนึ่งในข้อกำหนดที่สำคัญที่สุดในตาราง พลังงานที่มากขึ้นต่อกิโลกรัมหมายถึงระยะเวลาการบินที่ยาวนานขึ้นโดยไม่ต้องเพิ่มน้ำหนักของลำตัวเครื่องบิน

วงจรชีวิตที่ยาวนานขึ้น โดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะทำปฏิกิริยากับวัสดุอิเล็กโทรดน้อยลงเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งหมายถึงการย่อยสลายต่อรอบน้อยลง สำหรับผู้ควบคุมโดรนเชิงพาณิชย์ที่มีรอบการทำงานสูง อายุการใช้งานของวงจรที่ดีขึ้นจะส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนแบตเตอรี่ต่อเที่ยวบินที่ลดลง และกำหนดการเปลี่ยนทดแทนที่คาดการณ์ได้มากขึ้น

ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างขึ้น เซลล์โซลิดสเตตรักษาประสิทธิภาพที่สม่ำเสมอมากกว่าในอุณหภูมิสุดขั้วมากกว่าทางเลือกอิเล็กโทรไลต์ของเหลว การปฏิบัติงานด้วยโดรนในสภาพอากาศหนาวเย็น — การตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐานในสภาพอากาศทางตอนเหนือ งานสำรวจในระดับความสูง — ได้รับประโยชน์จากเคมีที่ไม่สูญเสียความสามารถที่สำคัญเมื่ออุณหภูมิลดลง

ความท้าทายทางวิศวกรรมที่ยังคงมีอยู่จริง

ไม่มีสิ่งใดมาโดยไม่มีแรงเสียดทาน แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตสำหรับโดรนเผชิญกับอุปสรรคทางวิศวกรรมที่แท้จริง ซึ่งอธิบายว่าทำไมชุด LiPo ยังคงครองการใช้งาน UAV เชิงพาณิชย์

ความซับซ้อนและต้นทุนการผลิต วัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนั้นผลิตได้อย่างสม่ำเสมอได้ยากกว่าอิเล็กโทรไลต์เหลว และกระบวนการผลิตจำเป็นต้องมีความแม่นยำมากกว่า ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนต่อหน่วยสูงขึ้น — บางครั้งก็สูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ — ซึ่งสร้างอุปสรรคสำหรับผู้ประกอบการเชิงพาณิชย์ที่คำนึงถึงต้นทุน

ความต้านทานของอินเทอร์เฟซ การสัมผัสกันระหว่างอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งและวัสดุอิเล็กโทรดนั้นไม่ใกล้ชิดเท่ากับในระบบอิเล็กโทรไลต์เหลว ความต้านทานของอินเทอร์เฟซนี้จะเพิ่มความต้านทานภายใน ซึ่งจำกัดอัตราการคายประจุสูงสุด การคายประจุด้วยอัตรา C สูง ซึ่งเป็นแบบที่จำเป็นสำหรับการซ้อมรบ UAV เชิงรุกหรือการยกน้ำหนักบรรทุกหนัก - ทำได้ยากกว่าด้วยการออกแบบโซลิดสเตตในปัจจุบันโดยไม่มีการลงโทษด้านประสิทธิภาพ

ความเครียดทางกลระหว่างการปั่นจักรยาน วัสดุอิเล็กโทรดจะขยายตัวและหดตัวเมื่อลิเธียมไอออนเคลื่อนที่เข้าและออกระหว่างการชาร์จและคายประจุ ในแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์เหลว อิเล็กโทรไลต์รองรับการเคลื่อนไหวนี้ ในเซลล์โซลิดสเตต การเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาตรสามารถสร้างความเค้นเชิงกลที่ส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรด-อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดการย่อยสลายเมื่อเวลาผ่านไป การจัดการสิ่งนี้ในวงกว้างถือเป็นงานวิศวกรรมที่กระตือรือร้น

ประสิทธิภาพการสตาร์ทขณะเครื่องเย็น แม้ว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะทำงานได้ดีกว่าในช่วงอุณหภูมิในการทำงานในสภาวะคงตัว วัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งบางชนิดจะมีความต้านทานสูงที่อุณหภูมิต่ำมากในระหว่างการสตาร์ทครั้งแรก สิ่งนี้ได้รับการปรับปรุงด้วยความก้าวหน้าทางวัตถุ แต่ยังคงเป็นข้อพิจารณาสำหรับสภาพแวดล้อมการใช้งานบางอย่าง

โดยที่เทคโนโลยีย่อมาจากการใช้งานโดรนเชิงพาณิชย์

แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตสามารถใช้งานได้จริงสำหรับแอปพลิเคชัน UAV ในปัจจุบัน — พร้อมแอปพลิเคชันที่เหมาะสม ภารกิจที่มีมูลค่าสูงซึ่งความปลอดภัยทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญ แพลตฟอร์มที่การปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานทำให้ต้นทุนมีความสมเหตุสมผล และการดำเนินงานที่อายุการใช้งานของวงจรที่ยาวนานขึ้นทำให้เกิด ROI ที่มีความหมายล้วนเป็นเป้าหมายที่สมเหตุสมผล

ไซแบตเตอรี่พัฒนาทั้งแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ประสิทธิภาพสูงและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน UAV แบบโซลิดสเตต เนื่องจากคุณสมบัติทางเคมีที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งาน ทุกวันนี้ การใช้งานโดรนทุกครั้งไม่จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีโซลิดสเตต บางส่วนได้ทำเช่นนั้นแล้ว และเมื่อขนาดและต้นทุนการผลิตลดลง หมวดหมู่ดังกล่าวก็จะขยายออกไปอย่างมาก

อนาคตมาถึงอย่างไม่สม่ำเสมอ แต่มันก็มาถึงแล้ว