วัสดุเฉพาะเจาะจงที่ใช้ในระบบแบตเตอรี่ลิทธิียมไอออน คืออะไร?

ระบบวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความซับซ้อน ตั้งแต่แกนกลางทางเคมีไฟฟ้าไปจนถึงส่วนประกอบโครงสร้าง สามารถแบ่งออกได้ดังนี้:

I. วัสดุแคโทด

วัสดุแคโทดเป็นแหล่งกำเนิดลิเธียมไอออนในแบตเตอรี่ และประสิทธิภาพของวัสดุเหล่านี้เป็นตัวกำหนดความหนาแน่นพลังงาน ต้นทุน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่โดยตรง โดยพิจารณาจากโครงสร้างผลึก สามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลักดังนี้:

1.1 ออกไซด์แบบชั้น: วัสดุเหล่านี้มักมีความหนาแน่นพลังงานสูง แต่มีความเสถียรค่อนข้างต่ำ

1.1.1 ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์, NCM/NCA และวัสดุที่อุดมด้วยลิเธียมแมงกานีสล้วนเป็นโครงสร้างออกไซด์แบบชั้น

1.1.2 ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO, LiCoO₂): เป็นวัสดุหลักในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค มีแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าสูงและความหนาแน่นการอัดตัวสูง แต่มีราคาแพงและประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยต้องได้รับการปรับปรุง

1.1.3 ลิเธียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ ออกไซด์ (NCM): มีประสิทธิภาพโดยรวมดีเยี่ยม ปัจจุบันเป็นตัวเลือกหลักสำหรับแบตเตอรี่กำลัง โดยการปรับอัตราส่วนของนิกเกิล โคบอลต์ และแมงกานีส (เช่น NCM811 และ NCM622 ทั่วไป) สามารถสร้างสมดุลระหว่างความหนาแน่นพลังงาน ต้นทุน และอายุการใช้งานได้

1.1.4 ลิเธียม นิกเกิล โคบอลต์ อะลูมิเนียม ออกไซด์ (NCA, LiNiCoAlO₂): มีความหนาแน่นพลังงานสูงและมีความเสถียรทางความร้อนค่อนข้างดี มักใช้ในแบตเตอรี่ทรงกระบอกบางชนิด

1.1.5 วัสดุที่อุดมด้วยลิเธียมแมงกานีส (xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂): ถือเป็นวัสดุที่ใช้ในการพัฒนาแคโทดความหนาแน่นพลังงานสูงรุ่นต่อไป มีความจุจำเพาะสูงมาก อย่างไรก็ตาม การลดลงของแรงดันไฟฟ้าและประสิทธิภาพอัตราต่ำเป็นความท้าทายในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์

1.2 โครงสร้างโอลิวีน: ตัวแทนคือลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP, LiFePO₄) โครงสร้างที่เสถียรทำให้มีความปลอดภัยสูงมากและมีอายุการใช้งานยาวนานมาก ด้วยต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ ทำให้มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้าและสถานีพลังงานกักเก็บพลังงานที่ต้องการความปลอดภัยสูงมาก อนุพันธ์ของมันคือลิเธียมแมงกานีสเหล็กฟอสเฟต (LMFP) ซึ่งพยายามปรับปรุงความหนาแน่นพลังงานพร้อมทั้งรักษาความปลอดภัย

1.3 โครงสร้างสปิเนล: ส่วนใหญ่หมายถึงลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LMO, LiMn₂O₄) ซึ่งมีลักษณะเด่นคือต้นทุนต่ำและความปลอดภัยดี แต่โดยทั่วไปมีประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงและมีความหนาแน่นพลังงานต่ำ มักใช้ร่วมกับวัสดุอื่น ๆ ชุมชนวิชาการกำลังสำรวจระบบที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นอย่างแข็งขัน เช่น แคโทดซัลเฟอร์และแคโทดอินทรีย์ แต่ทั้งหมดต้องเผชิญกับความท้าทายหลัก เช่น อายุการใช้งาน

II. วัสดุแอโนด

วัสดุแอโนดเป็นตัวพาสำหรับการกักเก็บลิเธียมไอออน และประสิทธิภาพของวัสดุเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการชาร์จเร็วและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

2.1 วัสดุฐานคาร์บอน: ปัจจุบันมีตำแหน่งที่โดดเด่น

2.1.1 กราไฟต์: กลายเป็นกระแสหลักเนื่องจากมีความเสถียรในการทำงานที่ยอดเยี่ยมและข้อได้เปรียบด้านต้นทุน แบ่งออกเป็นกราไฟต์ธรรมชาติและกราไฟต์สังเคราะห์

2.1.2 เมโซเฟสคาร์บอนไมโครสเฟียร์ (MCMB) เป็นผลิตภัณฑ์กราไฟต์ระดับไฮเอนด์เช่นกัน

2.1.3 คาร์บอนแบบไม่เป็นระเบียบ: รวมถึงฮาร์ดคาร์บอนและซอฟต์คาร์บอน ในบรรดาฮาร์ดคาร์บอน เนื่องจากโครงสร้างที่มีรูพรุนที่เป็นเอกลักษณ์ จึงถือเป็นวัสดุที่มีศักยภาพสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนและแอโนดลิเธียมไอออนที่ชาร์จเร็ว

2.1.4 คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs) / กราฟีน: โดยทั่วไปไม่ได้ใช้เป็นแอโนดหลัก แต่ใช้เป็นสารเติมแต่งนำไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงการนำไฟฟ้าและประสิทธิภาพอัตราของอิเล็กโทรด

2.2 วัสดุฐานซิลิคอน: ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นวัสดุแอโนดรุ่นต่อไป ความจุจำเพาะทางทฤษฎีสูงถึง 4200 mAh/g ซึ่งมากกว่ากราไฟต์ถึง 10 เท่า อย่างไรก็ตาม การขยายตัวของปริมาตรอย่างมหาศาล (มากกว่า 300%) นำไปสู่อายุการใช้งานที่ต่ำ ซึ่งเป็นความท้าทายหลักในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ คอมโพสิตซิลิคอน-คาร์บอน (Si-C) และซิลิคอน-ออกซิเจน (Si-O) เป็นโซลูชันหลักในปัจจุบัน

2.3 ลิเธียมไททาเนต (LTO, Li₄Ti₅O₁₂): มีชื่อเสียงในด้านประสิทธิภาพอัตราที่ยอดเยี่ยมและอายุการใช้งานยาวนานมาก และแทบไม่มีการก่อตัวของลิเธียมเดนไดรต์ ส่งผลให้มีความปลอดภัยสูงมาก ข้อเสียคือความหนาแน่นพลังงานต่ำและต้นทุนสูง จำกัดการใช้งานในแอปพลิเคชันพิเศษที่ต้องการกำลังสูง

2.4 ลิเธียมเมทัล: ในฐานะ "เป้าหมายสูงสุด" ของวัสดุแอโนด มีความจุจำเพาะสูงสุดตามทฤษฎี และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุแบตเตอรี่ความหนาแน่นพลังงานสูง (เช่น ลิเธียม-ซัลเฟอร์ และแบตเตอรี่โซลิดสเตต) อย่างไรก็ตาม การเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ก่อให้เกิดอันตรายด้านความปลอดภัยร้ายแรง วัสดุที่ล้ำสมัยอื่นๆ เช่น วัสดุฐานดีบุก ไนไตรด์โลหะทรานซิชัน และวัสดุอัลลอยต่างๆ แม้จะยังอยู่ระหว่างการพัฒนา แต่ก็มีศักยภาพมากมายสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต

III. อิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์เป็น "ทางหลวง" สำหรับการขนส่งลิเธียมไอออนระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ กำหนดการนำไฟฟ้าไอออนิก ช่วงอุณหภูมิการทำงาน ฯลฯ ของแบตเตอรี่

3.1 อิเล็กโทรไลต์ของเหลว (อิเล็กโทรไลต์): เป็นที่นิยมใช้มากที่สุดในแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์ ได้รับการยกย่องว่าเป็น "เลือด" ของแบตเตอรี่ และประกอบด้วยสามส่วนหลัก

เกลือลิเธียม: ให้ลิเธียมไอออนและเป็นส่วนประกอบหลัก ลิเธียมเฮกซะฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF₆) เป็นเกลือลิเธียมที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดเนื่องจากมีประสิทธิภาพโดยรวมดีเยี่ยม อื่นๆ เช่น LiBF₄ และ LiFSI มักใช้เป็นสารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเฉพาะ

ตัวทำละลายอินทรีย์: ใช้ในการละลายเกลือลิเธียม โดยทั่วไปจะใช้คาร์บอเนตวงแหวนที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง (เช่น EC และ PC) และคาร์บอเนตโซ่ที่มีความหนืดต่ำ (เช่น DMC, DEC และ EMC) ร่วมกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

สารเติมแต่งฟังก์ชัน: ใช้ในปริมาณเล็กน้อย แต่มีบทบาทสำคัญ เช่น สารเติมแต่งสร้างฟิล์ม (VC และ FEC) สารเติมแต่งหน่วงไฟ และสารเติมแต่งป้องกันการชาร์จเกิน เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

3.2 อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง: แกนกลางของแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด สามารถแก้ปัญหาด้านความปลอดภัย เช่น การรั่วไหลและการเผาไหม้ได้อย่างสมบูรณ์ตามทฤษฎี แบ่งออกเป็นสามระบบหลัก: โพลีเมอร์ ออกไซด์ และซัลไฟด์ แต่ทั้งหมดต้องเผชิญกับความท้าทายของการนำไฟฟ้าไอออนิกต่ำและอิมพีแดนซ์ระหว่างพื้นผิวสูงในปัจจุบัน

IV. ตัวคั่น

ตัวคั่นเป็นฟิล์มฉนวนที่มีรูพรุนอยู่ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ หน้าที่ของมันคือป้องกันการสัมผัสโดยตรงและการลัดวงจรระหว่างขั้วทั้งสอง ในขณะที่ยอมให้ลิเธียมไอออนผ่านไปได้ ปัจจุบันกระแสหลักคือเมมเบรนไมโครพรุนโพลีโอเลฟิน รวมถึงโพลีเอทิลีน (PE) โพลีโพรพิลีน (PP) และเมมเบรนคอมโพสิตสามชั้น PP/PE/PP เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพ ฟิล์มฐานมักจะถูกปรับปรุงโดยการเคลือบ เช่น ด้วยวัสดุเซรามิก (เช่น อะลูมินา, โบห์ไมต์, เพื่อเพิ่มความทนทานต่อความร้อน) หรือโพลีเมอร์ (เช่น PVDF, อะรามิด, เพื่อเพิ่มการยึดเกาะ)

V. ส่วนประกอบเสริมและโครงสร้าง

แม้ว่าวัสดุเหล่านี้จะไม่ได้มีส่วนร่วมโดยตรงในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า แต่ก็มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการประมวลผลอิเล็กโทรดและประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่

5.1 ตัวรวบรวมกระแส: ใช้ในการบรรทุกวัสดุออกฤทธิ์และรวบรวมและนำกระแสไฟฟ้า โดยทั่วไปจะใช้ฟอยล์อะลูมิเนียมสำหรับขั้วบวก ในขณะที่ใช้ฟอยล์ทองแดงสำหรับขั้วลบ ตัวรวบรวมกระแสแบบคอมโพสิต (เช่น ฟิล์มคอมโพสิตโพลีเมอร์-โลหะ) เป็นทิศทางใหม่ในการปรับปรุงความปลอดภัย

5.2 สารนำไฟฟ้า: เติมลงในสเลอรี่ขั้วบวกและขั้วลบเพื่อสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้าระหว่างอนุภาควัสดุออกฤทธิ์ ปรับปรุงการนำไฟฟ้าอิเล็กตรอนของอิเล็กโทรด วัสดุที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ คาร์บอนแบล็ก (เช่น Super P, อะเซทิลีนแบล็ก, Ketjen black) กราไฟต์นำไฟฟ้า และคาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNTs)

5.3 สารยึดเกาะ: ยึดวัสดุออกฤทธิ์และสารนำไฟฟ้าเข้ากับตัวรวบรวมกระแสได้อย่างแน่นหนา สเลอรี่ขั้วบวกมักใช้ PVDF (ต้องใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ NMP) ในขณะที่สเลอรี่ขั้วลบมักใช้สารยึดเกาะแบบน้ำ เช่น การผสมผสานระหว่าง SBR และ CMC

5.4 ตัวเรือนและส่วนประกอบโครงสร้าง: ให้การรองรับทางกลและการป้องกันการปิดผนึก

ตัวเรือน: ประเภททั่วไป ได้แก่ ตัวเรือนอะลูมิเนียม ตัวเรือนเหล็ก และฟิล์มอะลูมิเนียม-พลาสติก (สำหรับแบตเตอรี่แบบซอง)

แท็บ/ขั้วต่อ: โดยทั่วไปคือแถบอะลูมิเนียม (ขั้วบวก) และแถบนิกเกิล/แถบนิกเกิลเคลือบทองแดง (ขั้วลบ)

ส่วนประกอบด้านความปลอดภัยและฉนวน: รวมถึงฝาครอบ แผ่นฉนวน วาล์วนิรภัย วาล์วป้องกันการระเบิด ขั้วต่อค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) ฯลฯ เพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่ปลอดภัยภายใต้สภาวะผิดปกติ