แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและความท้าทายในการผลิต

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เป็น ผลิต ในชุดอิเล็กโทรดแล้วประกอบเป็นเซลล์ วัสดุที่ใช้งานจะถูกผสมกับสารยึดเกาะโพลีเมอร์ สารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และตัวทำละลายเพื่อสร้างเป็นสารละลายที่เคลือบบนฟอยล์สะสมกระแสไฟ และทำให้แห้งเพื่อขจัดตัวทำละลายและสร้างการเคลือบอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน

ไม่มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพียงก้อนเดียว ด้วยวัสดุและคู่ควบเคมีไฟฟ้าที่หลากหลาย ทำให้สามารถออกแบบเซลล์แบตเตอรี่ให้เหมาะกับการใช้งานโดยเฉพาะได้ ในแง่ของแรงดันไฟฟ้า สถานะการใช้ประจุ ความต้องการตลอดอายุการใช้งาน และความปลอดภัย การเลือกคู่เคมีไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจงยังช่วยในการออกแบบอัตราส่วนพลังงานและพลังงานและพลังงานที่มีอยู่อีกด้วย

การบูรณาการในเซลล์รูปแบบขนาดใหญ่จำเป็นต้องมีการผลิตอิเล็กโทรดแบบม้วนต่อม้วนและการใช้วัสดุออกฤทธิ์ที่ได้รับการปรับปรุงอย่างเหมาะสม อิเล็กโทรดถูกเคลือบบนฟอยล์ตัวสะสมกระแสโลหะในโครงสร้างคอมโพสิตของวัสดุออกฤทธิ์ สารยึดเกาะ และสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งต้องมีการควบคุมเคมีคอลลอยด์ การยึดเกาะ และการแข็งตัวอย่างระมัดระวัง แต่การเพิ่มวัสดุที่ไม่ใช้งานและบรรจุภัณฑ์ของเซลล์จะช่วยลดความหนาแน่นของพลังงาน นอกจากนี้ ระดับความพรุนและการบดอัดในอิเล็กโทรดอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

นอกเหนือจากความท้าทายด้านวัสดุเหล่านี้แล้ว ต้นทุนยังเป็นอุปสรรคสำคัญในการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในวงกว้าง กำลังมีการสำรวจเส้นทางเพื่อนำแบตเตอรี่ที่มีวางจำหน่ายทั่วไปจาก 100 Wh/kg และ 200 Wh/L ที่ 500 ดอลลาร์สหรัฐฯ/kWh ไปจนถึง 250 Wh/kg และ 400 Wh/L ในราคาเพียง 125 ดอลลาร์/kWh

พื้นฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเกิดขึ้นได้จากการค้นพบลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO ₂ ) ซึ่งช่วยให้สามารถสกัดลิเธียมไอออนและสร้างตำแหน่งงานว่างจำนวนมาก (โดยไม่ต้องเปลี่ยนคริสตัล) จนถึงการกำจัดไอออนที่มีอยู่ครึ่งหนึ่ง การจับคู่ LiCoO ₂ ด้วยกราไฟต์ทำให้เกิดการแทรกซึมของลิเธียมไอออนระหว่างชั้นกราฟีนที่ครอบครองตำแหน่งคั่นกลางระหว่างวงแหวนหกเหลี่ยมทุกอะตอมของคาร์บอน (Besenhard และSchöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976)

ลิเธียมไอออนเดินทางระหว่างประจุจากอิเล็กโทรดบวก (แคโทด) ผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งหรือของเหลวไปยังอิเล็กโทรดลบ (แอโนด) และในทิศทางตรงกันข้ามระหว่างคายประจุ ที่อิเล็กโทรดแต่ละอิออน ไอออนจะคงประจุไว้และแทรกเข้าไปในโครงสร้างผลึกซึ่งครอบครองตำแหน่งคั่นกลางในผลึกที่มีอยู่ในด้านแอโนด หรือยึดตำแหน่งว่างในแคโทดที่ก่อตัวขึ้นเมื่อลิเธียมไอออนออกจากคริสตัลนั้น ในขณะที่ถ่ายโอนไอออน เมทริกซ์ของโฮสต์จะถูกรีดิวซ์หรือออกซิไดซ์ ซึ่งจะปล่อยหรือจับอิเล็กตรอน ¹

วัสดุแคโทดที่หลากหลาย

การค้นหาวัสดุแคโทดใหม่ส่วนหนึ่งได้รับแรงผลักดันจากข้อเสียที่สำคัญของ LiCoO ₂ - แบตเตอรี่มีอุณหภูมิแกนกลางอยู่ที่ 40–70°C และอาจไวต่อปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำบางอย่างได้ แต่ที่อุณหภูมิ 105–135°C จะมีปฏิกิริยาสูงและเป็นแหล่งออกซิเจนที่ดีเยี่ยมสำหรับอันตรายด้านความปลอดภัยที่เรียกว่า ปฏิกิริยาหนีความร้อน ซึ่งปฏิกิริยาคายความร้อนสูงจะสร้างอุณหภูมิพุ่งสูงขึ้นและเร่งความเร็วอย่างรวดเร็วด้วยการปล่อยความร้อนส่วนเกิน (Roth 2000)

วัสดุทดแทนสำหรับ LiCoO ₂ มีแนวโน้มที่จะล้มเหลวน้อยลง สารประกอบนี้จะแทนที่ส่วนของโคบอลต์ด้วยนิกเกิลและแมงกานีสเพื่อสร้าง Li(Ni _x มน _ย บริษัท _z )โอ้ ₂ สารประกอบ (ด้วย x - ย - z = 1) มักเรียกกันว่า NMC เนื่องจากมีนิกเกิล แมงกานีส และโคบอลต์ หรือแสดงโครงสร้างใหม่ทั้งหมดในรูปของฟอสเฟต (เช่น LiFePO4) ₄ ) (แดเนียล และคณะ 2014). วัสดุแคโทดเหล่านี้ทั้งหมดแสดงความจุในช่วง 120–160 Ah/kg ที่ 3.5–3.7 V ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดถึง 600 Wh/kg

อย่างไรก็ตาม เมื่อบรรจุในอุปกรณ์จริง จะมีการเพิ่มมวลวัสดุที่ไม่ได้ใช้งานจำนวนมาก และความหนาแน่นของพลังงานมีแนวโน้มที่จะลดลงเหลือ 100 Wh/kg ในระดับบรรจุภัณฑ์ เพื่อผลักดันให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น นักวิจัยจึงมองหากำลังการผลิตที่สูงขึ้นและแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น และพบว่าพวกมันอยู่ในออกไซด์ของโลหะทรานซิชันที่อุดมด้วยลิเธียมและแมงกานีส สารประกอบเหล่านี้เป็นวัสดุเดียวกับ NMC แต่มีลิเธียมมากเกินไปและแมงกานีสในปริมาณที่สูงกว่าจะแทนที่นิกเกิลและโคบอลต์ ปริมาณลิเธียมที่สูงขึ้น (มากกว่าร้อยละ 20) ทำให้สารประกอบมีความจุสูงขึ้น (Thackeray et al. 2007) และแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ส่งผลให้แคโทดสูงถึง 280 Ah/kg เมื่อชาร์จสูงถึง 4.8 V อย่างไรก็ตาม สารประกอบใหม่เหล่านี้แสดงปัญหาความเสถียรและมีแนวโน้มที่จะจางลงอย่างรวดเร็ว

การปรับสมดุลของวัสดุในเซลล์

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำจากชั้นอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนบนฟอยล์สะสมกระแสอะลูมิเนียมและทองแดง (Daniel 2008) ความจุของคู่อิเล็กโทรดแต่ละคู่จะต้องมีความสมดุลเพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ และหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของการประจุขั้วบวกมากเกินไป (ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการชุบโลหะลิเธียมและการลัดวงจร) หรือการคายประจุมากเกินไปของแคโทด (ซึ่งอาจส่งผลให้โครงสร้างผลึกพังทลายลง และการสูญเสียตำแหน่งงานว่างสำหรับลิเธียมเพื่อทดแทน ส่งผลให้กำลังการผลิตลดลงอย่างมาก)

กราไฟท์มีความจุตามทฤษฎีที่ 372 Ah/kg ซึ่งเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าของความจุลิเธียมที่มีอยู่ในแคโทด NMC ดังนั้นในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่สมดุล โดยทั่วไปแคโทดจะมีความหนาเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับแอโนด ข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของการออกแบบเซลล์นี้ทำให้เกิดปัญหากับการขนส่งมวลชนและจลนศาสตร์ และด้วยเหตุนี้จึงกระตุ้นให้ค้นหาแคโทดที่มีความจุสูง

เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานในระดับเซลล์ วัสดุที่ไม่ใช้งานจะถูกย่อให้เหลือน้อยที่สุดในเซลล์แบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่น วิธีหนึ่งในการลดตัวสะสมกระแสไฟฟ้าคือการเพิ่มความหนาของอิเล็กโทรด แต่วิธีนี้จะยิ่งผลักดันปัญหาการขนส่ง และต้องมีการออกแบบทางวิศวกรรมขั้นสูงในอิเล็กโทรด

ความท้าทายด้านต้นทุนในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ต้นทุนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นสูงกว่าที่ตลาดยานยนต์จะรับได้มากสำหรับยานพาหนะไฟฟ้าและผลิตภัณฑ์ที่มีต้นทุนเป็นกลาง เมื่อเปรียบเทียบกับรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน เป้าหมายต้นทุนของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าทั้งหมดอยู่ที่ 125 เหรียญสหรัฐฯ/กิโลวัตต์ชั่วโมงของพลังงานที่ใช้ได้ (DOE 2013) ต้นทุนปัจจุบันของแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์อยู่ที่ 400–500 เหรียญสหรัฐฯ/kWh และต้นทุนที่คาดการณ์ไว้สำหรับวัสดุทดลองในปัจจุบันคือ 325 เหรียญสหรัฐฯ/kWh การลดต้นทุนส่วนใหญ่สามารถทำได้โดยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานโดยมีต้นทุนใกล้เคียงกับผลิตภัณฑ์รุ่นเก่า

การลดต้นทุนเพิ่มเติมสามารถทำได้โดยการเพิ่มประสิทธิภาพแผนการผลิต แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนผลิตขึ้นเป็นชุดของอิเล็กโทรดแล้วประกอบเป็นเซลล์ วัสดุที่ใช้งานจะถูกผสมกับสารยึดเกาะโพลีเมอร์ สารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และตัวทำละลายเพื่อสร้างเป็นสารละลายที่เคลือบบนฟอยล์สะสมกระแสไฟ และทำให้แห้งเพื่อขจัดตัวทำละลายและสร้างการเคลือบอิเล็กโทรดที่มีรูพรุน ตัวทำละลายที่เลือกคือ N-เมทิลไพโรลิโดน (NMP) ถือเป็น วัสดุทางอ้อม (จำเป็นสำหรับการผลิตแต่ไม่มีอยู่ในอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย) แต่มีราคาแพง มีไอระเหยไวไฟ และมีพิษสูง

ไอระเหยที่ติดไฟได้ของ NMP กำหนดให้อุปกรณ์การประมวลผลทั้งหมดในระหว่างการผลิตอิเล็กโทรดต้องป้องกันการระเบิด ซึ่งหมายความว่าส่วนประกอบทางไฟฟ้าที่ทำให้เกิดประกายไฟทั้งหมดจะต้องได้รับการปกป้องจากไอระเหย และพื้นที่จะต้องมีการระบายอากาศในระดับสูงเพื่อรักษาความเข้มข้นของไอให้ต่ำ มาตรการเหล่านี้เพิ่มต้นทุนทุนของอุปกรณ์ดังกล่าวอย่างมาก

นอกจากนี้ โรงงานผลิตอิเล็กโทรดจำเป็นต้องนำตัวทำละลายกลับมาจากกระแสไอเสีย กลั่น และรีไซเคิล นี่เป็นค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมอีกครั้ง

การลดต้นทุนโดยการแปรรูปที่ใช้น้ำ

การเปลี่ยน NMP ด้วยน้ำเป็นโอกาสอันยิ่งใหญ่ในการลดต้นทุนในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ค่าน้ำมีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับค่าน้ำของ NMP น้ำไม่ติดไฟและไม่ก่อให้เกิดไอระเหยไวไฟ และน้ำก็ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม น้ำเป็นตัวทำละลายที่มีขั้ว และพฤติกรรมของน้ำแตกต่างไปจากของ NMP ที่ไม่มีขั้วโดยสิ้นเชิง นอกจากนี้ วัสดุออกฤทธิ์มีแนวโน้มที่จะจับตัวเป็นก้อนและพื้นผิวตัวสะสมกระแสไฟฟ้าของโลหะนั้นไม่ชอบน้ำ ทำให้กระบวนการเคลือบยากขึ้น

ความรู้เกี่ยวกับประจุที่พื้นผิวของอนุภาค (โดยการวัดศักย์ซีตา) ช่วยให้สามารถออกแบบขั้วของพื้นผิวเมื่อมีน้ำอยู่ได้โดยการเติมสารลดแรงตึงผิวจำนวนเล็กน้อย ในกรณีของสารประกอบอินเทอร์คาเลชันของแคโทด โพลีเอทิลีนอิไมด์ได้ถูกนำมาใช้อย่างประสบความสำเร็จเพื่อป้อนประจุที่พื้นผิวที่มีขนาดใหญ่พอที่จะขับไล่อนุภาค เพื่อไม่ให้ก่อให้เกิดการจับตัวเป็นก้อนที่ไม่สามารถยอมรับได้ (Li et al. 2013)

การทำความเข้าใจเกี่ยวกับพลังงานพื้นผิวของโลหะและแรงตึงผิวของสารละลายตลอดจนปฏิสัมพันธ์ของพวกมันทำให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของทั้งคู่ได้ การบำบัดพลาสมาในบรรยากาศของพื้นผิวโลหะผ่านการสัมผัสกับพลาสมาโคโรนาจะกำจัดสารประกอบอินทรีย์บนพื้นผิว และทำให้เกิดการกัดกร่อนและออกซิเดชั่นเล็กน้อย ซึ่งจะช่วยลดพลังงานพื้นผิวลงอย่างมากจนมีค่าต่ำกว่าแรงตึงผิวของสารละลาย ช่วยให้พื้นผิวเปียกได้อย่างสมบูรณ์แบบด้วยสารละลาย และสร้างสารเคลือบที่มีการยึดเกาะที่เหมาะสมที่สุด (Li et al. 2012) ผลลัพธ์ที่ได้คือการลดต้นทุนการดำเนินงานและวัสดุในการผลิตอิเล็กโทรดถึง 75 เปอร์เซ็นต์ และอาจลดต้นทุนที่ระดับชุดแบตเตอรี่สำหรับการใช้งานในยานยนต์ได้ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ (Wood et al. 2014) ซึ่งไม่รวมต้นทุนอุปกรณ์ที่ต่ำกว่า: ค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์การประมวลผลพลาสมานั้นต่ำกว่าค่าใช้จ่ายสำหรับระบบการนำตัวทำละลายกลับคืนมาและข้อกำหนดในการป้องกันการระเบิดอย่างมาก

โอกาสในอนาคตในการลดต้นทุน

การลดต้นทุนเพิ่มเติมจะเกิดขึ้นได้จากความรู้ที่มากขึ้นเกี่ยวกับกลไกการขนส่งและผลกระทบจากสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรดสำหรับประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า การวิจัยในปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การสร้างแบบจำลองและการจำลองเป็นส่วนใหญ่เพื่อทำความเข้าใจกลไกระดับโมเลกุลและปรับปรุงการออกแบบอิเล็กโทรด สแต็คอิเล็กโทรด และเซลล์แบตเตอรี่ อิเล็กโทรดที่หนาขึ้นและการลดลงอย่างมากของวัสดุที่ไม่ใช้งานจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานด้วยต้นทุนที่ต่ำลง ลดต้นทุนโดยตรง และอาจช่วยให้วงจรการก่อตัวของแบตเตอรี่ใช้พลังงานน้อยลงและสั้นลงมาก

บทสรุป

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีศักยภาพมหาศาลในการช่วยให้ยานยนต์ใช้พลังงานไฟฟ้าบางส่วนถึงเต็มจำนวน กระจายแหล่งพลังงานสำหรับการขนส่ง และสนับสนุนการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่เพื่อการรุกของแหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นระยะๆ ที่สูงขึ้น อย่างไรก็ตาม ต้นทุนยังคงเป็นปัญหา และจะต้องได้รับการแก้ไขโดยการพัฒนาห่วงโซ่อุปทานที่แข็งแกร่ง มาตรฐานในการผลิต ปริมาณการผลิตที่สูง และวิธีการประมวลผลที่มีต้นทุนต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ นอกเหนือจากการลดต้นทุนแล้ว การวิจัยยังสามารถเพิ่มพูนความรู้เกี่ยวกับกระบวนการระดับโมเลกุลและปัญหาการขนส่ง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบและการใช้พลังงานที่มีอยู่ในแบตเตอรี่และเพิ่มอายุการใช้งาน

ดังที่แสดงในบทความนี้ การเพิ่มขึ้นของปริมาณพลังงานและกำลังการผลิตในวัสดุอิเล็กโทรดแบบแอคทีฟและการลดวัสดุทางอ้อมในการผลิตเป็นสองวิธีที่จะส่งผลต่อต้นทุน

รับทราบ

บางส่วนของงานวิจัยนี้ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge (ORNL; จัดการโดย UT Battelle, LLC) สำหรับกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (ภายใต้สัญญา DE-AC05-00OR22725) ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานเทคโนโลยียานยนต์และพลังงานทดแทน (EERE) โปรแกรมย่อย Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (ผู้จัดการโปรแกรม: Peter Faguy และ David Howell) ผู้เขียนรับทราบการพูดคุยที่เป็นประโยชน์มากมายกับ David Wood, Jianlin Li และ Debasish Mohanty จากศูนย์วิจัยและพัฒนาการผลิตแบตเตอรี่ DOE ที่ ORNL และ Beth Armstrong ในแผนกวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีของ ORNL

แหล่งที่มาของบทความ：สะพานสปริง： จากพรมแดนด้านวิศวกรรมและอื่นๆ