การแนะนำแบตเตอรี่โซลิดสเตต
ในแบตเตอรี่ ไอออนบวกจะเคลื่อนที่ระหว่างขั้วลบและขั้วบวกผ่านตัวนำไอออนและส่งอิเล็กตรอนเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ในแบตเตอรี่ทั่วไป เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ตัวนำไอออนิกเป็นสารประกอบอินทรีย์เหลวที่ติดไฟได้สูง ซึ่งเป็นข้อเสียที่สำคัญ กระบวนการวิจัยและพัฒนาที่หลากหลายนำมาสังเคราะห์สารประกอบต่างๆ เพื่อค้นหาตัวนำที่เป็นของแข็งที่มีประสิทธิภาพสูงมาแทนที่ตัวนำของเหลว นักวิจัยได้ค้นพบตัวนำไอออนแบบโซลิดสเตตซึ่งเหนือกว่าประสิทธิภาพของตัวนำลิเธียมไอออนทั่วไป เช่น LGPS ซัลไฟด์โซลิดอิเล็กโทรไลต์ (LGPS: ลิเธียม เจอร์เมเนียม ฟอสฟอรัส กำมะถัน)
แบตเตอรี่โซลิดสเตตคืออะไร? เป็นแนวทางเทคโนโลยีที่มีศักยภาพสูงขึ้นเพื่อความปลอดภัยที่มากขึ้น ความหนาแน่นของพลังงาน ที่สูงขึ้น และความคุ้มค่า แบตเตอรี่โซลิดสเตตคืออนาคตของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและรถยนต์ไฟฟ้า แคโทด แอโนด ตัวแยก และ อิเล็กโทรไลต์ เป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลวใช้ในแบตเตอรี่ที่เป็นของเหลว (แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน) ซึ่งใช้ในสมาร์ทโฟน เครื่องมือไฟฟ้า และยานพาหนะไฟฟ้า ในทางกลับกัน แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมากกว่าอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ใช้ใน แบตเตอรี่ทั่วไป
อิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่เป็นส่วนผสมของสารเคมีที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ช่วยให้กระแสไฟผ่านระหว่างแอโนดและแคโทดได้ ตัวแยกหลีกเลี่ยงการลัดวงจร แบตเตอรี่โซลิดสเตตเป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีขั้วบวก แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ เช่นเดียวกับแบตเตอรี่อื่นๆ อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็ง ไม่เหมือนกับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีจำหน่ายในท้องตลาดมีตัวแยกที่ยึดแคโทดและแอโนดแยกจากกันด้วยสารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลว ในทางกลับกัน แบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมากกว่าสารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลว และอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งก็ทำหน้าที่เป็นตัวคั่นเช่นกัน แบตเตอรี่เหล่านี้มีความจำเป็นและจำเป็นอย่างยิ่งในการเพิ่มความจุของแบตเตอรี่โซลิดสเตต EV พวกมันไวไฟและโอกาสที่จะ ระเบิด นั้นเล็กน้อย ตัวอย่างของแบตเตอรี่โซลิดสเตตคือแก้วลิเธียมฟอสเฟต ความหนาแน่นของพลังงานสูงในแบตเตอรี่เหล่านี้
ความจุพลังงานของ แบตเตอรี่โซลิดสเตตมากกว่าแบตเตอรี่ Li-ion ที่มีสารละลายอิเล็กโทรไลต์เหลว เนื่องจากไม่มีโอกาสเกิดการระเบิดหรือไฟไหม้ จึงไม่จำเป็นต้องมีส่วนประกอบด้านความปลอดภัย ซึ่งช่วยประหยัดพื้นที่ แบตเตอรี่สามารถบรรจุพลังงานได้มากเป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่งผลให้มีพลังงานเพิ่มขึ้น เนื่องจากจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่เพียงไม่กี่ก้อน แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตจึงสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ได้
เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตต
SSB เน้นที่ลักษณะดังต่อไปนี้เป็นหลัก:
ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น:
- ต้นทุนที่ต่ำกว่า: การใช้วัสดุที่ถูกกว่าและกระบวนการที่คุ้มค่า และเนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูง
- ความปลอดภัยที่สูงขึ้น: ความทนทานต่อการชาร์จไฟเกิน ความทนทานต่อการชาร์จที่ลึก
- การพึ่งพาวัสดุที่หายากน้อยลง: การพึ่งพาทางธรณีวิทยาน้อยลง การทดแทนวัสดุอย่างลิเธียม โคบอลต์
- ลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: ไม่มีวัสดุที่เป็นพิษ ไม่มีโลหะหนัก ไม่มีสารเคมีอันตราย การผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม วัสดุที่ง่ายต่อการทิ้งหรือรีไซเคิล
- อื่นๆ : ความสามารถในการคายประจุลึก การชาร์จเร็ว หรือความสามารถในการคายประจุ
อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตเป็นส่วนประกอบสำคัญในแบตเตอรี่โซลิดสเตต วัสดุอิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตมีสามประเภทหลัก
วัสดุอนินทรีย์: วัสดุผลึกอนินทรีย์, วัสดุอสัณฐานอนินทรีย์ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์มีโมดูลัสที่ยืดหยุ่นสูง ความเสถียรทางความร้อน/เคมีที่แข็งแกร่ง ช่องไฟฟ้าเคมีขนาดใหญ่ การนำไอออนิกสูง และค่าการนำไฟฟ้าต่ำ อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้จึงเหมาะสำหรับการออกแบบแบตเตอรี่แบบแข็งที่สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยได้
โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง เช่น โพลิเอทิลีนออกไซด์ แม้ว่าอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์จะมีค่าการนำไฟฟ้าอิออนต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอนินทรีย์ แต่ก็สามารถให้รูปทรงที่หลากหลาย มีความยืดหยุ่นสูงและต้องการกระบวนการผลิตที่มีต้นทุนต่ำและเรียบง่าย เมื่อรวมเซลล์แบตเตอรี่ อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งสามารถสร้างการเชื่อมโยงระหว่างอิเล็กโทรดกับอิเล็กโทรไลต์ที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งอาจเพิ่มความเสถียรทางไฟฟ้าเคมีและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ อิเล็กโทรไลต์เหลวใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม และโดยทั่วไปจะสัมผัสกับอิเล็กโทรดได้ดี
อิเล็กโทรดดูดซับของเหลวเหมือนฟองน้ำเนื่องจากพื้นผิวที่มีพื้นผิวทำให้มีพื้นที่สัมผัสขนาดใหญ่ ตามทฤษฎีแล้ว ของแข็งทั้งสองไม่สามารถเชื่อมต่อกันได้อย่างลงตัว ส่งผลให้มีความต้านทานระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์สูง อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทำหน้าที่เป็นสื่อพาหะที่เสถียรสำหรับอิเล็กโทรดฟอสเฟต ซึ่งพิมพ์หน้าจอทั้งสองด้าน แบตเตอรี่โซลิดสเทตใหม่ไม่เหมือนกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิม โดยปราศจากสารพิษหรือสารอันตรายโดยสิ้นเชิง
วัสดุอนินทรีย์และโพลีเมอร์ถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้ประโยชน์จากวัสดุทั้งสองประเภท อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้แสดงค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกสูงและค่อนข้างยืดหยุ่น
คุณสมบัติทางกล ทางไฟฟ้า และทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ตลอดจนส่วนต่อประสาน/เฟสระหว่างอิเล็กโทรดกับขั้วบวกและขั้วลบ มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่โซลิดสเตต
ปัญหาพื้นฐานในแบตเตอรี่โซลิดสเตต โดยเน้นที่ปรากฏการณ์สำคัญสามประการ:
(i) หลักการผลิตตัวนำไอออนิกขั้นสูง
(ii) ความก้าวหน้าของโครงสร้างที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์ – อิเล็กโทรดที่ไม่เสถียรทางเคมี และ
(iii) ความหมายของการประมวลผลแบตเตอรี่โซลิดสเตต รวมถึงอิเล็กโทรดและสถาปัตยกรรมอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดสเตต (SSEs) ไม่เพียงแต่สามารถแก้ไขปัญหาด้านความปลอดภัยเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถใช้ขั้วบวกของโลหะและการทำงานของไฟฟ้าแรงสูงได้อีกด้วย
แบตเตอรี่โซลิดสเตต (SSB) เป็นหนึ่งในโซลูชั่นที่ดีที่สุดสำหรับแบตเตอรี่รุ่นต่อไป เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีความเสถียรทางความร้อนสูงกว่ามาก นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่เป็นอนินทรีย์อาจทำงานในอุณหภูมิที่สูงเกินไป เช่น อุณหภูมิตั้งแต่ 50 ถึง 200°C หรือสูงกว่านั้น ซึ่งอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ล้มเหลวเนื่องจากการแช่แข็ง การเดือด หรือการสลายตัว
เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ทางไฟฟ้าเคมีที่คาดหวังเมื่อใช้อิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็งทั้งหมด พิจารณาคุณลักษณะเฉพาะสี่ประการ ลักษณะเหล่านี้รวมถึง:
( ผม ) การนำไฟฟ้าไอออนิกสูง (+Li> 104 วินาที/ซม.);
(ii) ความแข็งแรงทางกลที่เพียงพอและข้อบกพร่องทางโครงสร้างเพียงเล็กน้อยเพื่อป้องกันการแทรกซึมของลิเธียมเดนไดรต์
(iii) วัตถุดิบต้นทุนต่ำและกระบวนการเตรียมที่ง่าย และ
(iv) พลังงานกระตุ้นต่ำสำหรับการแพร่กระจายลิเธียมไอออน
ข้อดีของแบตเตอรี่โซลิดสเตต
- โครงสร้างที่เรียบง่าย: อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทำหน้าที่เป็นตัวแยกเพื่อป้องกันการสัมผัสของแอโนดและแคโทดซึ่งส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นและหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายของตัวแยก
- ไฟฟ้าแรงสูง: การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสูง ซึ่งจะทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูง
- อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไม่ติดไฟ
- อิเล็กโทรไลต์เป็นสารหน่วงไฟ
- ไม่เสี่ยงต่อการรั่วของอิเล็กโทรไลต์เหลว
- สามารถใช้ได้ที่อุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้นทำให้ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้างขึ้น
- ความเป็นไปได้ของการซ้อนเซลล์ในแพ็คเกจเดียว
- โครงสร้างเซลล์ที่เรียบง่ายและต้นทุนการผลิตที่เรียบง่ายทำให้แบตเตอรี่โซลิดสเทตคุ้มค่า
- ชาร์จแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตได้เร็วกว่าแบตเตอรี่สถานะของเหลว 6 เท่า
- อายุการใช้งานของแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถอยู่ได้นานถึง 10 ปี
ข้อเสียของแบตเตอรี่โซลิดสเตต
- เดนไดรต์เป็นปัญหาที่ร้ายแรงที่สุดสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตต นอกเหนือไปจากราคา เดนไดรต์คือการตกผลึกของโลหะลิเธียมที่เริ่มต้นที่ขั้วบวกและสามารถกระจายไปทั่วแบตเตอรี่ สิ่งนี้เกิดขึ้นเมื่อไอออนในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งรวมตัวกับอิเล็กตรอนเพื่อสร้างแผ่นโลหะลิเธียมที่เป็นของแข็งเนื่องจากมีการชาร์จและการคายประจุกระแสไฟสูง
- แบตเตอรี่เหล่านี้ไม่ได้ใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและรถยนต์ไฟฟ้า เนื่องจากมีราคาแพงมาก แบตเตอรี่โซลิดสเตตแสดงจลนพลศาสตร์ช้าลงเนื่องจาก:
- ค่าการนำไฟฟ้าอิออนต่ำ
- ความต้านทานอินเทอร์เฟซสูง
- การติดต่ออินเทอร์เฟซไม่ดี
แบตเตอรี่โซลิดสเตททำงานอย่างไร
ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ แบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้เมมเบรนอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งที่มีวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบที่เป็นของแข็ง ในระหว่างการประจุหรือการปล่อยประจุ ไอออนจะเคลื่อนเข้าสู่เมทริกซ์ของแข็งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า แทนที่จะเป็นเกลือไอออนิกที่ละลายในสารละลาย ทำให้เกิดปฏิกิริยาประจุหรือการปล่อยประจุ ปฏิกิริยารีดอกซ์ใช้เพื่อเก็บและแจกจ่ายพลังงานในแบตเตอรี่โซลิดสเตต แอโนดจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ในขณะที่แคโทดลดระดับลง และแบตเตอรี่สามารถใช้ปรากฏการณ์นี้เพื่อเก็บ (ชาร์จ) และปล่อย (คายประจุ) พลังงานได้ตามต้องการ
ขณะปล่อยพลังงาน ไอออนทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างวัสดุของแบตเตอรี่ที่เรียกว่า ‘รีดอกซ์’ ซึ่งเกิดออกซิเดชันที่ขั้วบวกเพื่อสร้างสารประกอบที่มีอิเล็กตรอนอิสระซึ่งจ่ายพลังงานไฟฟ้า และเกิดการรีดักชันที่แคโทดเพื่อสร้างสารประกอบที่ได้รับอิเล็กตรอนและ จึงรักษาอำนาจไว้ กลไกจะกลับด้านเมื่อชาร์จแบตเตอรี่ ไอออนที่มีประจุบวกจะผ่านอิเล็กโทรไลต์จากอิเล็กโทรดลบ (แอโนด) ไปยังอิเล็กโทรดบวก (แคโทด) เมื่อคายประจุแบตเตอรี่โซลิดสเตต (แคโทด) ทำให้เกิดประจุบวกในแคโทดและดูดซับอิเล็กตรอนจากขั้วบวก
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอิเล็กตรอนไม่สามารถผ่าน อิเล็กโทรไลต์ ได้ พวกเขาจึงต้องเดินทางผ่านวงจร โดยให้พลังงานกับสิ่งที่ติดอยู่ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้า ในกระบวนการชาร์จ ไอออนจะเคลื่อนไปที่แอโนด ทำให้เกิดประจุที่ดูดซับอิเล็กตรอนจากแคโทดผ่านวงจร แบตเตอรี่จะถูกชาร์จจนเต็มเมื่อไม่มีไอออนไหลไปที่ขั้วลบอีกต่อไป แบตเตอรี่โซลิดสเตตต้องการสารเติมแต่งและสารยึดเกาะที่แตกต่างกันภายในชั้นแบตเตอรี่เพื่อรักษาค่าการนำไฟฟ้าสูงในระหว่างการปั่นจักรยาน วัสดุต้องอยู่ภายใต้แรงกดดันเพื่อรักษาการสัมผัสระหว่างการชาร์จและการคายประจุ การขยายตัวและการหดตัวตามปกติของวัสดุระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ ช่วยเพิ่มความยากลำบากในการรักษาสัมผัสที่แน่นหนา
วงจรชีวิตและการส่งออกของเซลล์อาจได้รับอันตรายหากการขยายตัวและการหดตัวทำให้พันธะอ่อนลงเมื่อเวลาผ่านไป แบตเตอรี่โซลิดสเตตยังช่วยลดความซับซ้อนของระดับแพ็ค โดยที่เซลล์แต่ละเซลล์ถูกต่อเข้าด้วยกัน เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ Li-ion แบตเตอรี่โซลิดสเตตไม่ต้องการการควบคุมความร้อนมากนัก เนื่องจากประสิทธิภาพจะดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น
อัตราการประจุและการคายประจุโดยรวม ตลอดจนค่าการนำไฟฟ้าอิออนของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง จะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิในการทำงานสูงสุดของโซลิดสเตตจึงถูกจำกัดโดยจุดหลอมเหลวของลิเธียมซึ่งอยู่ที่ 180°C เท่านั้น นอกจากนี้ การไม่มีอิเล็กโทรไลต์เหลว Li-ion ที่ติดไฟได้ช่วยขจัดความกังวลในการออกแบบเกี่ยวกับเซลล์ภัยพิบัติหรือความล้มเหลวของบรรจุภัณฑ์ ควรใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตแบบลิเธียมโลหะเป็นทางเลือกแบตเตอรี่ Li-ion เนื่องจากขั้วบวกกราไฟท์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ Li-ion ทั่วไปมีศักยภาพต่ำเมื่อเทียบกับลิเธียม (0.20 V) ให้ความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรมากขึ้นด้วยแรงดันไฟและประสิทธิภาพที่เท่ากัน .
แบตเตอรี่โซลิดสเตทมีจำหน่ายหรือไม่?
เครื่องกระตุ้นหัวใจ, RFID และอุปกรณ์พกพาใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตต แบตเตอรี่เหล่านี้บางส่วนถูกนำไปใช้งานในอวกาศ แนวทางการค้าสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตในตลาดรถยนต์ EV/HEV การนำแบตเตอรี่โซลิดสเตทมาใช้ไม่ได้เป็นเพียงการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตที่เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังคำนึงถึงคุณลักษณะต่างๆ เช่น:
- การรักษาความปลอดภัยการจัดหาวัสดุและการขาย
- อุปกรณ์การผลิตเซลล์และแพ็คและการพัฒนา
แม้จะมีการพัฒนามาหลายปี ผู้เล่นหลายคนยังไม่ประสบความสำเร็จในการนำแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตออกสู่ตลาด ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กโทรไลต์ไอออนิกโดยทั่วไปจะมีขนาดต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ของเหลวหลายขนาด นี่เป็นหนึ่งในอุปสรรคสำคัญสำหรับการจำหน่ายแบตเตอรี่โซลิดสเตตในเชิงพาณิชย์ ในขณะที่แนวคิดของแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่ความคืบหน้าก็เกิดขึ้นจริงเท่านั้น ต้องขอบคุณการลงทุนจากบริษัทอิเล็กทรอนิกส์ ผู้ผลิตรถยนต์ และผู้ให้บริการอุตสาหกรรมทั่วไป
ทำไมแบตเตอรี่โซลิดสเตตถึงดีกว่า?
แบตเตอรี่โซลิดสเตตมีประโยชน์หลายประการเหนือแบตเตอรี่แบบเติมของเหลว รวมถึงอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้น เวลาในการชาร์จที่เร็วขึ้น และประสบการณ์ที่ราบรื่นยิ่งขึ้น แทนที่จะระงับอิเล็กโทรดในอิเล็กโทรไลต์เหลว แบตเตอรี่โซลิดสเตตจะบีบอัดแอโนด แคโทด และอิเล็กโทรไลต์ให้เป็นชั้นเรียบสามชั้น เป็นผลให้พวกเขาสามารถทำให้มีขนาดเล็กลงหรืออย่างน้อยเน้นที่ยังคงมีพลังงานในปริมาณที่เท่ากันกับแบตเตอรี่ตัวทำละลายขนาดใหญ่
ดังนั้น เมื่อโทรศัพท์หรือแล็ปท็อปมีแบตเตอรี่แบบลิเธียมไอออนหรือลิเธียมโพลีเมอร์ที่มีแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตที่มีความจุเท่ากัน แบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่ามาก ระบบถูกสร้างขึ้นซึ่งมีประจุเท่ากันแต่มีขนาดเล็กกว่าและบางกว่ามาก แบตเตอรี่โซลิดสเตต เมื่อใช้กับอุปกรณ์กระแสไฟหรือแม้แต่ยานพาหนะไฟฟ้า แบตเตอรี่สามารถชาร์จได้เร็วกว่ามาก เนื่องจากไอออนสามารถเดินทางจากแคโทดไปยังแอโนดได้เร็วกว่ามาก แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตสามารถแสดงแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้หลายแบบในแง่ของความจุ 500 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไปและชาร์จในหนึ่งในสิบของเวลาทั้งหมด แบตเตอรี่โซลิดสเตตไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม
แบตเตอรี่แบบฟิล์มบางแบบโซลิดสเตตเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป เนื่องจากแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีประสิทธิภาพและความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า จึงไม่จำเป็นต้องมีส่วนประกอบในการทำความเย็นและควบคุมแบบที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำ ส่งผลให้ขนาดโดยรวมเล็กลง ให้อุปกรณ์มีอิสระมากขึ้น และน้ำหนักลดลง
เนื่องจากแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีความทนทานต่อการกัดกร่อนของอิเล็กโทรดที่เกิดจากสารเคมีในอิเล็กโทรไลต์เหลวหรือการสะสมของชั้นของแข็งในอิเล็กโทรไลต์ที่ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง แบตเตอรี่โซลิดสเตตจึงสามารถจัดการกับวงจรการคายประจุและการชาร์จได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถชาร์จใหม่ได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึงเจ็ดเท่า ซึ่งช่วยให้ใช้งานได้สิบปีแทนที่จะเป็นสองสามปีที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอายุการใช้งาน สถาบันการศึกษา ผู้ผลิตแบตเตอรี่ และผู้เชี่ยวชาญด้านวัสดุต่างก็กำลังตรวจสอบแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตที่สามารถเปลี่ยนเป็นแหล่งพลังงานรุ่นต่อไปเพื่อการใช้งานอย่างแพร่หลาย
แบตเตอรี่โซลิดสเตตชาร์จเร็วขึ้นหรือไม่?
อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งบางชนิดมีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกมากกว่า 5 mS/ซม. และเป็นตัวนำแบบไอออนเดี่ยว ที่กระแสไฟสูง จะป้องกันไม่ให้ความต้านทานโพลาไรซ์สะสมในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้น การชาร์จอย่างรวดเร็ว จึงเป็นไปได้ แบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้วัสดุที่เป็นของแข็ง ซึ่งปกติแล้วจะเป็นพอลิเมอร์หรือสารประกอบเซรามิก เพื่อทดแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟได้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แอโนดโลหะลิเธียมถูกนำมาใช้แทนแกรไฟต์หรือซิลิกอนแอโนดแบบดั้งเดิม ความพยายามในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลโซลิดสเตตนี้มีศักยภาพที่จะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเป็นสองเท่าในขณะที่ลดเวลาในการชาร์จลงอย่างมาก
แบตเตอรี่โซลิดสเตตผลิตขึ้นได้อย่างไร?
ในแบตเตอรี่โซลิดสเตต มีเพียงสองชั้นหลักเท่านั้น คือขั้วลบที่เป็นขั้วบวกที่มีหน้าสัมผัสทางไฟฟ้ากับตัวคั่นเซรามิกแบบโซลิดสเตตซึ่งจะมาแทนที่ตัวคั่นโพลีเมอร์ ซึ่งจะมาแทนที่ตัวคั่นโพลีเมอร์ที่มีรูพรุนที่พบในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทั้งหมดอาศัยตัวนำที่เหนือกว่าและส่วนต่อประสานที่ปรับให้เหมาะสม
ความท้าทายในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตที่ดีคือการเอาชนะส่วนต่อประสาน ขอบเขตสามเฟสที่ต้องขนส่งอิเล็กโทรด ไอออน และอิเล็กตรอนที่เป็นบวกไปพร้อม ๆ กัน ซึ่งต้องใช้เฟสที่ไม่ต่อเนื่องมาก การบรรลุการขนส่งอิเล็กตรอนและไอออนพร้อมกันที่ส่วนต่อประสานและการควบคุมส่วนต่อประสานนั้นเป็นสิ่งที่ท้าทาย
ปัญหาของความเสถียรทางเคมีกับอิเล็กโทรไลต์ในเชิงบวกและความเสถียรทางออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์เมื่อมีคาร์บอนและปัญหาของเดนไดรต์ไอออนของโลหะจำเป็นต้องมีการรวมส่วนต่อประสานที่มีการป้องกันไว้ด้วยกัน อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีค่าการนำไฟฟ้าของไอออนต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ของเหลวตามลำดับความสำคัญ นอกจากนี้ ยังจำเป็นต้องปรับความต้านทานให้เหมาะสมที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์-อิเล็กโทรด
ความท้าทายสำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสำหรับแบตเตอรี่:
อิเล็กโทรดบวกแบบหนาที่มีมวลแอกทีฟสูง: ค่าการนำไฟฟ้าอิออนสูงของอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง ส่วนต่อประสานที่เสถียรกับออกไซด์และกิจกรรมรีดอกซ์ต่ำพร้อมสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า
เมมเบรนอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมวลต่ำแบบบางควรมีคุณสมบัติทางกลที่ดี ความเหนียว และการควบคุมแรงดันแบบไดนามิก
อิเล็กโทรไลต์ SSB ทั้งหมดนำเสนอการผสมผสานระหว่างค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกสูงและความเสถียรที่ยอดเยี่ยมระหว่างแอโนดและแคโทดอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน ความเข้ากันได้ของแอโนดเป็นกุญแจสำคัญในเรื่องนี้ เนื่องจากให้ประโยชน์หลักในระดับเซลล์เหนือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปอื่นๆ
อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีสามหลัก:
พอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ : ข้อดีของพอลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์คือความสามารถในการประมวลผลของเซลล์ ข้อเสียคือความเสถียรค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับโลหะและค่าการนำไฟฟ้าที่ค่อนข้างต่ำในอุณหภูมิที่ต่ำกว่าโดยเฉพาะ
ค่าการนำไอออนที่ต่ำกว่า = การลำเลียงไอออนที่ต่ำกว่า = กำลังไฟฟ้าน้อยลง
อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์: มีคุณสมบัติเชิงกลที่เหมาะสม มีความแข็งมาก และมีความเสถียรทางเคมีต่อแอโนดของโลหะ ข้อเสียที่สำคัญ ได้แก่ ความสามารถระดับต่ำในแง่ของความเร็วในการสึกกร่อนโดยใช้อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์และความท้าทายในการประมวลผลเนื่องจากต้องใช้อุณหภูมิที่สูงมาก มีความคงตัวทางความร้อนสูงกว่า ความสามารถในการประมวลผลของเซลล์เล็กน้อย ไวต่อความชื้น และมีค่าการนำไฟฟ้าปานกลาง อิเล็กโทรไลต์ที่มีออกไซด์เป็นส่วนประกอบโดยปกติจะมีความเสถียรทางเคมีและสามารถใช้ได้กับวัสดุแคโทดที่มีพลังงานสูง
อย่างไรก็ตาม ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ที่มีซัลไฟด์เป็นส่วนประกอบหลัก
วัสดุที่มีเพอร์รอฟสไกต์ (LLTO: ลิเธียมแลนทานัมไททาเนียมออกไซด์)
โครงสร้างโกเมน (LLZO, ลิเธียมแลนทานัมเซอร์โคเนียมออกไซด์) และ NASICON (LAGP: ลิเธียมอะลูมิเนียมเจอร์เมเนียมฟอสเฟต) นั้นน่าประทับใจในหมู่อิเล็กโทรไลต์ที่มีออกไซด์
อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์: มีคุณสมบัติเชิงกลระหว่างพอลิเมอร์และออกไซด์ พวกมันนำไฟฟ้าได้ดีกว่าระดับอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์ที่ทำลายสถิติทั้งหมดมาจากวัสดุประเภทซัลไฟด์ พวกมันมีการนำไฟฟ้าที่สูงกว่า ความสามารถในการประมวลผลของเซลล์ที่สูงขึ้น และความสามารถทางความร้อนที่สูงขึ้นแต่มีความไวต่อความชื้น โดยปกติการนำอิออนจะสูงกว่าในอิเล็กโทรไลต์ที่มีซัลไฟด์เป็นหลัก แต่มีความไม่เสถียรทางเคมีมากกว่า
ที่อุณหภูมิห้อง ลิเธียม ทิน ฟอสฟอรัส ซัลไฟด์ (LSPS) แบบอสัณฐานมีค่าการนำไฟฟ้าสูงมาก ความเข้ากันไม่ได้กับโลหะลิเธียมนั้นเป็นข้อกังวล
วัสดุที่กำหนดอิเล็กโทรไลต์เรียกว่าสารเติมแต่ง สารเติมแต่งคือวัสดุจำนวนเล็กน้อยที่สร้างสารเคลือบป้องกันบนพื้นผิวแคโทดและแอโนด ป้องกันการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่โดยการอำนวยความสะดวกในการเดินผ่านที่ราบรื่นของไอออนลิเธียมระหว่างแคโทดและแอโนด
สารเติมแต่งแคโทดและแอโนดเป็นสารเติมแต่งสองประเภท สารเติมแต่งแคโทดป้องกันการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่โดยการรักษาเสถียรภาพโครงสร้างแคโทดและปกป้องพื้นผิว ขจัดความร้อนสูงเกินไปและการชาร์จไฟเกิน สารเติมแต่งแอโนดละลายได้เร็วกว่าตัวทำละลาย ทำให้เกิดฟิล์มที่แข็งแกร่งในแอโนดที่ช่วยยืดอายุการใช้งาน ป้องกันความร้อนสูงเกินไป และช่วยให้ชาร์จแบตเตอรี่ได้ สารเติมแต่งมีบทบาทสำคัญในระบบโดยรวมโดยยืดอายุการใช้งาน ปรับปรุงปัญหาอุณหภูมิสูง และลดความต้านทาน
ตัวแยกเป็นเมมเบรนฉนวนบาง ๆ ที่มีคุณสมบัติประมาณสี่อย่างซึ่งแยกขั้วแคโทดและแอโนดออกจากกัน ประการที่สอง ตามชื่อของมัน ตัวแยกป้องกันแคโทดและแอโนดไม่ให้สัมผัสกันภายในแบตเตอรี่
ประการที่สอง ตัวแยกมีรูพรุนขนาดต่ำกว่าไมครอนซึ่งมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า และรูพรุนทำหน้าที่เป็นช่องทางสำหรับลิเธียมไอออนที่จะผ่านระหว่างแคโทดและแอโนด เนื่องจากตัวแยกมีความคงตัวทางกลที่ดี สมบัติการดึงจึงกันผลิตภัณฑ์พลอยได้และสารแปลกปลอมออก เพื่อความปลอดภัย วัสดุที่มีความเสถียรทางไฟฟ้าเคมีและเป็นฉนวนสูงสามารถใช้เป็นตัวคั่นได้ ตัวแยกควรหลีกเลี่ยงการทำงานร่วมกันของแคโทดและแอโนด และนำไปสู่ปัญหาสำคัญหากตัวแยกรบกวนลิเธียมไอออนหรือไอออนอื่นๆ ภายในแบตเตอรี่ ตัวแยกควรสามารถป้องกันได้โดยการปิดรูขุมขนและป้องกันการเคลื่อนที่ของไอออนหากอุณหภูมิของแบตเตอรี่เกินขีดจำกัดที่กำหนด
สุดท้าย ตัวแยก SSB ควรมีขนาดเล็กพอที่จะรวมวัสดุที่ใช้งานได้มากขึ้นในแบตเตอรี่ ซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายและให้การปกป้อง ควรมีกำลังทางกลสูง
ข้อกำหนดอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง
อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่มีคุณสมบัติเฉพาะจะมีความจำเป็นสำหรับการจำหน่ายแบตเตอรี่โซลิดสเตตในเชิงพาณิชย์ ในการเป็นตัวแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวที่เหมาะสม อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งต้องมีค่าการนำไฟฟ้าลิเธียมไอออนิกมากกว่า 0.1 mS/ซม. อิเล็กโทรไลต์จะต้องมีความเสถียรทางเคมีต่อการลดลิเธียมหรือจะต้องสร้างชั้นปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา เพื่อให้ความต้านทานภายในเซลล์ลดลง อิเล็กโทรไลต์จำเป็นต้องสร้างส่วนต่อประสานที่มีความต้านทานต่ำ
ที่ส่วนต่อประสานโลหะอัลคาไล ซึ่งชั้นของซับสเตรตที่ทำปฏิกิริยากับบรรยากาศ ออกไซด์ที่ลดลง และการทำให้เปียกที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันทั้งหมดสามารถนำไปสู่ความต้านทานต่อส่วนต่อประสานอย่างมาก การสร้างส่วนต่อประสานที่มีความต้านทานต่ำจะเพิ่มความซับซ้อน อิเล็กโทรไลต์จะต้องมีความแข็งแรงเพียงพอและมีความเหนียวแตกหักเพื่อหลีกเลี่ยงการแพร่กระจายของ เส้นใยลิเธียมผ่านอิเล็กโทรไลต์ ที่ศักย์ไฟฟ้าขั้วบวกและขั้วลบ อิเล็กโทรไลต์จะต้องมีความเสถียร
รูปแบบอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง
เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งของโพลีเมอร์มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนต่ำ จึงมักใช้ที่อุณหภูมิสูงขึ้น (60°C–80°C) เพื่อให้ได้รับประโยชน์จากการขนส่งไอออนิกที่สูงขึ้น แม้ว่าพอลิเมอร์จะใช้งานได้ง่าย แต่คุณสมบัติทางกลของพอลิเมอร์ยังไม่เพียงพอที่จะทำให้แอโนดโลหะลิเธียมมีเสถียรภาพ
เป็นผลให้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอนินทรีย์ได้รับการยอมรับมากที่สุด ค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ที่เป็นของแข็งเป็นหนึ่งในอิเล็กโทรไลต์ที่แข็งที่สุดในบรรดาอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง
แม้ว่าจะมีสารเคมีมากมาย แต่ระบบ Li2 S-P2 S5 นั้นใช้มากที่สุด ในกรอบงาน Li2 S-P2 S5 อิเล็กโทรไลต์อาจเป็นแก้ว ผลึก หรือผลึกบางส่วนก็ได้ อิเล็กโทรไลต์ Li2 S-P2 S5 ที่ไม่เจือปนมีความคงตัวทางไฟฟ้าเคมีต่ำเมื่อใช้ลิเธียม ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์ที่เจือปนจะมีเสถียรภาพที่ดีขึ้น ที่อุณหภูมิห้องหรือต่ำกว่า 400 องศาเซลเซียส อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ที่มีลักษณะเหนียวช่วยให้อัดตัวเป็นก้อนด้วยการเชื่อมด้วยไฟฟ้าเคมีที่ดีระหว่างอนุภาค เป็นผลให้อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอนินทรีย์ที่ง่ายที่สุดในการประมวลผล
อย่างไรก็ตาม การเกิดปฏิกิริยากับไอน้ำในอากาศอาจเป็นปัญหากับองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ ปล่อย H2 S และทำให้อิเล็กโทรไลต์เสื่อมคุณภาพ เป็นผลให้พวกเขาได้รับการประมวลผลตามปกติในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นต่ำอาร์กอนหรือความชื้นต่ำ
อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจากออกไซด์เป็นรูปแบบที่สองของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอนินทรีย์ มีรูปแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อย แต่โกเมน Li7 La3 Zr2 O12 เป็นรูปแบบที่พบมากที่สุด ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กโทรไลต์โซลิดออกไซด์มีการนำไอออนที่แรง มีช่วงไฟฟ้าเคมีที่กว้างที่สุด และความเสถียรทางเคมีสูงสุดต่อลิเธียม นอกจากนี้ วัสดุออกไซด์มีโมดูลัสยืดหยุ่นสูงสุดและความเหนียวแตกหักของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับความเสถียรทางกายภาพของแอโนดโลหะลิเธียมและอายุการใช้งานของเซลล์ในระยะยาว แม้จะมีส่วนผสมของคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีที่ดีที่สุด แต่อิเล็กโทรไลต์หนาแน่นที่มีการนำไอออนิกสูงต้องการอุณหภูมิการเผาผนึกที่ 1,000°C – 1,300°C
ความต้านทานต่อการพัฒนาเดนไดรต์หรือเส้นใยลิเธียมในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีแนวโน้มที่จะเชื่อมโยงกับความหนาแน่นกระแสหรือกระแสเซลล์ทั้งหมดหารด้วยพื้นที่หน้าตัดของอิเล็กโทรไลต์ เป็นผลให้เซลล์สามารถล้มเหลวที่ความหนาแน่นกระแสวิกฤต (CCD) เมื่อโลหะลิเธียมแทรกซึมเซลล์ การชาร์จที่เสถียรสามารถทำได้ที่ความหนาแน่นปัจจุบันภายใต้ค่าวิกฤตนี้ การชุบลิเธียมแบบคงที่ในเซลล์แบบอสมมาตรด้วยอิเล็กโทรดลิเธียมที่ด้านใดด้านหนึ่งของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งคือการตรวจสอบ CCD มาตรฐาน
ในการเตรียมอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง LGPS ซัลไฟด์ โครงสร้างของวัสดุได้รับการวิเคราะห์ด้วยคานนิวตรอน นักวิจัยสามารถสังเกตการเคลื่อนที่เชิงเส้นของไอออนภายในโครงสร้างโมเลกุลของตัวนำที่เป็นของแข็ง มีการสังเกตอุโมงค์ภายในโครงสร้าง 3 มิติ มีการสังเกตการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนภายในอุโมงค์นี้ ด้วยคำใบ้นี้ นักวิจัยสามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าและความเสถียรของไอออนิกของวัสดุได้ โดยพัฒนาวัสดุใหม่สองชนิดโดยเติมคลอรีนจำนวนเล็กน้อยลงใน LGPS วัสดุเหล่านี้แสดงประสิทธิภาพของตัวนำไอออนิกสูงที่สุดในโลก
วัสดุเหล่านี้ได้รับการวิเคราะห์ด้วยดิฟแฟรกโตมิเตอร์สำหรับการออกแบบวัสดุ ผลลัพธ์แสดงให้เห็นโครงสร้างที่เป็นนวัตกรรมใหม่ที่ยอมให้ไอออนเคลื่อนที่ในสามมิติแทนที่จะเป็นเพียงมิติเดียว นี่คือสิ่งที่ทำให้วัสดุมีประสิทธิภาพสูงสุด ในบรรดาเซลล์รุ่นใหม่จำนวนมากที่ได้รับการพัฒนา วัสดุเหล่านี้ได้กลายเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่แข็งแรงสำหรับใช้ใน SSB ทั้งหมด
SSB เหล่านี้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าเล็กน้อยและกำลังขับสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ดังนั้น ข้อดีของ SSB ทั้งหมดจึงได้รับการออกแบบให้มีแบตเตอรี่ความจุสูงขนาดกะทัดรัดที่สามารถชาร์จใหม่ได้ในระยะเวลาอันสั้น ในฐานะผลิตภัณฑ์ของการวิจัยเฉพาะและระดับการวิเคราะห์อะตอมของวัสดุอิเล็กโทรไลต์ SSB ใหม่ทั้งหมดเหล่านี้อาจนำไปสู่แบตเตอรี่รุ่นใหม่
ในแบตเตอรี่โซลิดสเตตลิเธียมไอออน เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ ลิเธียมจะออกจากการเดินทางผ่านโครงตาข่ายอะตอมของตัวคั่นเซรามิกสถานะของแข็งที่ไม่มีรูพรุน เมื่อลิเธียมถูกแยกออกจากกันอย่างแท้จริง จะเกิดการสะสมระหว่างตัวคั่นกับหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าซึ่งก่อตัวเป็นแอโนดของลิเธียมที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ สำหรับแอโนดโลหะลิเธียมช่วยให้เก็บพลังงานของแบตเตอรี่โซลิดสเตตในปริมาณพลังงานที่น้อยกว่า ทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป แบตเตอรีลิเธียมเมทัลแบบโซลิดสเตตให้ช่วงที่มากขึ้นจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นของการชาร์จอย่างรวดเร็ว 15 นาทีและการทำงานที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นโดยการกำจัดตัวคั่นโพลีเมอร์อินทรีย์
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงานสูง:
- การใช้วัสดุที่มีพลังงานสูง
- แคโทด NMC หรือ NCA ที่อุดมด้วยนิกเกิลเมื่อรวมกับแอโนดคอมโพสิตซิลิกอนจะให้ความหนาแน่นของพลังงานกราวิเมตริกและปริมาตรที่สูงขึ้น
- คาดว่าการลดต้นทุนเพื่อวัตถุประสงค์ในการผลิต
- จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงกระบวนการผลิตเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตต
แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์:
- เมื่อปล่อย ลิเธียมทำปฏิกิริยากับกำมะถันที่แคโทดเพื่อสร้างลิเธียมซัลไฟด์
- กำมะถันเป็นวัสดุที่แพร่หลายและคุ้มราคา มีเซลล์แบตเตอรี่ราคาประหยัด
- ความไม่แน่นอนเกี่ยวกับวงจรและชีวิต และความอ่อนไหวต่ออุณหภูมิสูง ยังคงเป็นอุปสรรคต่อการเติบโตของกลุ่มตลาด
- ปัจจุบันความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรมีแนวโน้มต่ำเกินไปสำหรับรถยนต์
แบตเตอรี่ลิเธียมอากาศ:
- ลิเธียมถูกออกซิไดซ์ด้วยออกซิเจนที่ด้านแคโทดเมื่อปล่อย ส่งผลให้ลิเธียมเปอร์ออกไซด์และลิเธียมออกไซด์
- ความหนาแน่นของพลังงานสูงและการใช้อากาศแวดล้อมเป็นไปได้ในทางเทคนิค
- อุปสรรคใหญ่ในความเสถียรของวงจร ซึ่งทำให้การใช้งานรถยนต์ในทศวรรษหน้าดูเหมือนไม่น่าจะเป็นไปได้
ฟังก์ชันและการออกแบบของ SSB . ทั้งหมด
- อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่ดูดซึมได้ไอออนทำหน้าที่เป็นตัวคั่นและให้ทั้งการแยกเชิงพื้นที่และทางไฟฟ้าระหว่างแคโทดและแอโนดของ SSB ทั้งหมด
- มีแบบเซลล์ให้เลือกหลากหลาย เซลล์แบบฟิล์มบางแสดงไว้ในแผนภาพด้านบน อาจใช้แคโทดคอมโพสิตเพื่อสร้างชั้นที่หนาขึ้น
- ลิเธียมไอออนส่งผ่านจากแอโนดผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไปยังแคโทดเมื่อปล่อย SSB ทั้งหมด กำลังไฟฟ้าไหลที่โหลดภายนอกพร้อมกัน
- ความต้านทานที่ส่วนต่อประสานแอโนด-อิเล็กโทรไลต์เป็นปัจจัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของเซลล์แบตเตอรี่ อาจใช้แผ่นภายนอก เช่น ยางหรือโลหะผสมอลูมิเนียม เพื่อบรรเทาปัญหานี้
- การซ้อนแบบไบโพลาร์เป็นไปได้เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ที่แรง ดังนั้นเซลล์ระดับประถมศึกษาจึงเชื่อมต่อกันเป็นลำดับ
แบตเตอรี่โซลิดสเตททำมาจากอะไร?
วัสดุแบตเตอรี่โซลิดสเตต:
ขั้วบวก:
เนื่องจากศักยภาพทางทฤษฎีในการบรรลุความหนาแน่นของพลังงานสูงสุด จึงถือว่าขั้วบวกของโลหะลิเธียมเป็นอุดมคติ อิเล็กโทรไลต์ที่แรงจะต้องป้องกันไม่ให้ลิเธียมที่เป็นโลหะก่อตัวเป็นเดนไดรต์ นอกจากนี้ เนื่องจากลิเธียมก่อตัวเป็นชั้นแบบพาสซีฟที่มีออกซิเจนในบรรยากาศ จึงจำเป็นต้องมีการจัดการภายใต้บรรยากาศเฉื่อย
ซิลิคอนเป็นวัสดุแอโนดมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก แต่จะผ่านการเลื่อนระดับปริมาณมากเมื่อผสมกับลิเธียม
แคโทด:
โลหะออกไซด์ใช้เป็นแคโทด เนื่องจากมีวัสดุที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ SSB ทั้งหมดน้อยกว่ามาก วัสดุแคโทดที่มีอยู่จึงถูกนำมาใช้ในกรณีส่วนใหญ่
โดยหลักการแล้ว สามารถใช้วัสดุแคโทดที่ผ่านการพิสูจน์แล้วได้หลากหลาย ขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งแตกต่างกันไปตั้งแต่วัสดุราคาไม่แพงและปลอดภัย เช่น ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LFP) ไปจนถึงลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (NMC) มีเพียงลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) ที่เป็นวัสดุแคโทดและ LLZO เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่แสดงให้เห็นถึงความเสถียรและประสิทธิภาพที่เพียงพอในทางปฏิบัติ
ขั้นตอนการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด
- การประมวลผลอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ การประกอบเซลล์ และการตกแต่งเซลล์เป็นสามขั้นตอนหลักในการผลิต SSB ทั้งหมด
- ไม่มีห่วงโซ่กระบวนการที่แท้จริงในระดับสากล อีกทางหนึ่ง อาจใช้ห่วงโซ่กระบวนการที่เป็นไปได้จำนวนมาก ซึ่งแตกต่างจากกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในหลายวิธี
- วิธีนี้จะเปรียบเทียบและเปรียบเทียบตัวเลือกกระบวนการสองแบบที่แตกต่างกัน โดยหลักแล้วในแง่ของอิเล็กโทรดและเอาต์พุตอิเล็กโทรไลต์
อิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์
การผลิต —- การประกอบเซลล์ —— การตกแต่งเซลล์
กระบวนการ A
กระบวนการ B
การสังเคราะห์เซลล์ร่องลึกที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอนินทรีย์เป็นเรื่องของตัวเลือกกระบวนการทั้งสองแบบ สำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด รูปแบบเซลล์กระเป๋ามักจะเหมาะสมที่สุด
เซลล์ปริซึมหรือทรงกลม:
เนื่องจากส่วนประกอบที่เป็นของแข็งของแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมด ขดลวดต้องเผชิญกับความท้าทายที่สำคัญ ชั้นเซรามิกที่เปราะสามารถทำให้เกิดรอยแตกได้ นอกจากนี้ ปัญหาการยึดเกาะของชั้นที่เหมาะสมยังไม่ได้รับการแก้ไข
เซลล์กระเป๋า:
แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดใช้ประโยชน์จากการซ้อนเนื่องจากชั้นเรียบไม่เสียรูป นอกจากนี้ สารประกอบของชั้นยังถูกผลิตขึ้นในระหว่างกระบวนการอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ โดยเหลือเพียงเซลล์พื้นฐานที่จะวางซ้อนกันในภายหลัง
กระบวนการผลิตจำเป็นต้องใช้ห้องแห้งเนื่องจากปฏิกิริยาของวัสดุต่อบรรยากาศ เมื่อทำงานกับโลหะลิเธียม แนะนำให้ใช้ก๊าซเฉื่อย เช่น อาร์กอน
การประเมินอย่างครอบคลุมของการปรับใช้ทักษะที่ได้รับในการพัฒนาเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะดำเนินการในแต่ละขั้นตอนของกระบวนการ
การผลิตอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ผ่านกระบวนการ A:
- สารประกอบของแคโทด อิเล็กโทรไลต์ และแอโนดเกิดขึ้นในกระบวนการอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์
- เซลล์ระดับประถมศึกษามีอยู่หลังจากการพัฒนาอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์
- ลักษณะสำคัญของห่วงโซ่กระบวนการแรกคือ Process Chain A คือกระบวนการอัดรีดแบบต่อเนื่องซึ่งชั้นจะถูกสร้างขึ้นและเคลือบแล้ว
- ห่วงโซ่กระบวนการนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุสถานะของแข็งทั้งหมดที่มีซัลไฟด์
การผลิตแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ (การทบ):
- วิธีการผลิต
- สองอุตสาหกรรมผสมที่แตกต่างกันใช้แคโทดและอิเล็กโทรไลต์ละลาย
- ส่วนประกอบวัสดุถูกป้อนเข้าไปในถังความร้อนของเครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ และสามารถจัดเตรียมให้เป็นเม็ดหรือผงได้
- การเคลื่อนที่แบบหมุนของเครื่องอัดรีดจะนำพลังงานเข้าสู่ส่วนประกอบวัสดุ เป็นผลให้ละลายเป็นเนื้อเดียวกัน
- อนุภาคอิเล็กโทรไลต์ซึ่งลดความต้านทานระหว่างแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ ตลอดจนสารยึดเกาะและสารเติมแต่ง จะถูกผสมกับเนื้อหาแอกทีฟของแคโทด
- โมเลกุลของอิเล็กโทรไลต์และสารยึดเกาะโพลีเมอร์เป็นองค์ประกอบวัสดุสองส่วนของอิเล็กโทรไลต์
พารามิเตอร์และเงื่อนไขสำหรับกระบวนการ:
- ปริมาณของวัสดุแต่ละชิ้นที่จะจัดหา
- อุณหภูมิและความดันในกระบอกสูบ
- อัตราและความดันของเครื่องอัดรีด
- แรงเฉือน
คุณสมบัติคุณภาพ:
- ความเป็นเนื้อเดียวกันของการละลาย
- ความหนืดของตัวละลาย
- ผสมมาตราส่วนและปริมาณ
ทางเลือกทางเทคโนโลยี:
- โรงงานผสมประสิทธิภาพสูง
การผลิตแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ (การอัดรีดร่วม):
- วิธีการผลิต
- ในแม่พิมพ์ที่เหมาะสม แคโทดและอิเล็กโทรไลต์ที่หลอมละลายจะถูกอัดรีดร่วม ส่งผลให้เกิดการรวมชั้นแคโทดและอิเล็กโทรไลต์
- ช่องแยกป้อนแคโทด และอิเล็กโทรไลต์จะละลายผ่านแม่พิมพ์อัดรีด
- ของเหลวที่หลอมละลายจะเดินทางผ่านช่องทางไปยังทางออกของแม่พิมพ์อัดรีด ของหลอมเหลวจะถูกอัดรีดบนตัวนำกระแสไฟฟ้าโดยใช้แม่พิมพ์แบบสล็อต
พารามิเตอร์กระบวนการและข้อกำหนด:
- การปรับความหนาของชั้น
- อัตราการป้อนละลาย
- อุณหภูมิ
- ความดัน
- ความเร็วม้วน
- แรงกดของม้วนปฏิทิน
คุณสมบัติคุณภาพ:
- ความหนาของการเคลือบ
- ความกว้างของชั้น
- การยึดเกาะระหว่างชั้น
ทางเลือกทางเทคโนโลยี:
- งานสกรีน
หล่อฟอยล์
การผลิตแอโนด (การอัดรีดและการรีด):
- แอโนด SSB ทั้งหมดสามารถทำจากฟอยล์ลิเธียมโลหะ สามารถใช้การอัดขึ้นรูปด้วยการทำปฏิทินในภายหลังเพื่อสร้างฟิล์มลิเธียมได้
- ลิเธียมเหลวถูกเทลงในกระบอกสูบของเครื่องอัดรีดลูกสูบเพื่อการนี้ จากนั้นลิเธียมจะถูกบีบเข้าไปในหัวฉีดด้วยลูกสูบ
- ปฏิทินหลังจากการอัดรีดช่วยให้มั่นใจได้ถึงความเป็นเนื้อเดียวกันและความหนาของฟิล์มออปติก ฟิล์มถูกรีดภายใต้แรงตึงด้วยลูกกลิ้งสองตัวโดยใช้สารหล่อลื่นด้วยเหตุนี้
- ลูกกลิ้งจะต้องสามารถทำงานด้วยความเหนียวของลิเธียม ลูกกลิ้งเคลือบโพลีเมอร์ เช่น ลูกกลิ้งที่ทำจากโพลิอะซีตัล จะทำสำเร็จ
พารามิเตอร์กระบวนการและข้อกำหนด:
- ความเร็วในการอัดรีด
- อุณหภูมิ
- รูปทรงหัวฉีด
- แรงกดของปฏิทินม้วน
- ความเร็วในการจ่ายน้ำมันหล่อลื่น
- ความเร็วม้วน
คุณสมบัติคุณภาพ:
- ความหนาของฟิล์ม
- ความกว้างของฟอยล์
- ความสม่ำเสมอของฟอยล์ลิเธียม
ทางเลือกทางเทคโนโลยี:
- การสะสมของชั้นอะตอม
กระบวนการ PVD
การผลิตสารประกอบชั้น (เคลือบ):
- ฟอยล์ลิเธียมเคลือบบนคอมโพสิตแคโทด-อิเล็กโทรไลต์หลังจากผ่านกรรมวิธีแล้ว ทั้งสองชั้นถูกวางเข้าด้วยกันโดยใช้ลูกกลิ้งสำหรับงานนี้
- ใช้ลูกกลิ้งสองตัวเพื่อบังคับสองชั้นเข้าด้วยกันในขั้นตอนต่อไป เพื่อให้ได้แรงยึดเกาะที่มากขึ้น สิ่งเหล่านี้จะถูกให้ความร้อน โพลีเมอร์แทรกซึมจากชั้นหนึ่งไปยังชั้นถัดไปในระหว่างการให้ความร้อนและการกด ทำให้เกิดการเชื่อมโยงระหว่างแอโนดและอิเล็กโทรไลต์
- คำว่า “แห้ง” และ “เปียก” เคลือบสามารถแยกความแตกต่างได้ การเคลือบแบบเปียกจะทำให้พื้นผิวสัมผัสเปียกชื้นด้วยตัวทำละลายจนกว่าจะเกิดการเคลือบ สิ่งนี้อำนวยความสะดวกในการเคลือบที่อุณหภูมิต่ำและแรงดันต่ำ
พารามิเตอร์และข้อกำหนดของกระบวนการ:
- ความเร็วในการป้อนของชั้น
- ความเร็วม้วน
- ความดัน
- ความร้อนเสริมของชั้น
คุณสมบัติคุณภาพ:
- การยึดเกาะระหว่างชั้น
- ความหนาคอมโพสิตที่ต้องการ
- เรขาคณิตของคอมโพสิต
ทางเลือกทางเทคโนโลยี:
- การกดและการเผาภายหลัง
กระบวนการผลิตอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ B
- กระบวนการสะสมไอทางกายภาพ (PVD) ซึ่งแต่ละชั้นจะถูกเพิ่มทีละชั้นเป็นคุณลักษณะหลักของขั้นตอนห่วงโซ่ B ที่แสดงด้านล่าง
- กระบวนการปัจจุบันซึ่งแสดงขั้นตอนการผลิตของแบตเตอรี่แบบฟิล์มบาง เหมาะอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเต ต แบบออกไซด์ทั้งหมด
การเตรียมวัสดุ (การบดและการผสม):
- วิธีการผลิต
- ใช้โรงสีลูกเพื่อแยกผงแคโทดออกจากผงอิเล็กโทรไลต์
- วัตถุดิบจะถูกวางลงในถังเจียรทรงกระบอกสำหรับงานนี้ ลูกบอลถูกใช้เป็นสื่อในการเจียรในดรัมบดนี้
- การเคลื่อนที่แบบหมุนของกระบอกสูบจะรวมวัสดุเริ่มต้นเข้าด้วยกัน นอกจากนี้ การเคลื่อนที่แบบหมุนยังช่วยให้แน่ใจได้ว่าสื่อการเจียรและวัสดุเริ่มต้นจะเคลื่อนสัมพันธ์กันเมื่อส่วนหลังถูกกราวด์
- หลังจากนั้น ผงจะถูกเผาเพื่อให้ได้คุณสมบัติของผงที่ต้องการ
ข้อกำหนดและพารามิเตอร์ของกระบวนการ:
- วัสดุลูก
- ความเร็ว
- เวลาบด
- วัสดุกระบอกสูบ
- ปริมาณวัสดุเริ่มต้น
คุณสมบัติคุณภาพ:
- ขนาดอนุภาคผงเฉลี่ย
- ความสม่ำเสมอของผง (ระดับของการผสม)
ทางเลือกทางเทคโนโลยี:
- กระบวนการโซลเจล
การผลิตสารประกอบชั้น (สปัตเตอร์ความถี่สูง):
กระบวนการผลิต:
- การสปัตเตอร์ความถี่สูงใช้เพื่อสร้างชั้นแคโทดและอิเล็กโทรไลต์จากผงแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ เป้าหมายของกระบวนการสปัตเตอร์เริ่มจากผงแป้งโดยใช้แม่พิมพ์หรือระบบกดร้อน
- ตัวรวบรวมปัจจุบันยังทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นของกระบวนการ ชั้นแคโทดจะสะสมในระยะแรก จากนั้นวางชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่ด้านบนของชั้นแคโทด
- ไอออนมุ่งเป้าไปที่เป้าหมายของการดำเนินการสปัตเตอร์ อะตอมจะถูกผลักออกจากเป้าหมายในขั้นตอนนี้ ซึ่งจะไปถึงเฟสของแก๊สและเคลื่อนตัวไปยังสารตั้งต้น ดังนั้นชั้นจึงพัฒนาอะตอมโดยอะตอมบนพื้นผิวของสารตั้งต้น
- ห้องสุญญากาศใช้สำหรับสปัตเตอร์ความถี่สูง
ข้อกำหนดและพารามิเตอร์ของกระบวนการ:
- อุณหภูมิ
- เวลาฝาก
- ความดันในกระบวนการ
- บรรยากาศโดยรอบ
- กำลังประมวลผล/ความหนาแน่นของพลังงาน
- เส้นผ่านศูนย์กลางเป้าหมายและระยะทางเป้าหมาย
คุณสมบัติคุณภาพ:
- ความหนาของชั้นของตัวสะสมปัจจุบัน
- ความหนาของชั้นแคโทดและอิเล็กโทรไลต์
ทางเลือกทางเทคโนโลยี:
- การสะสมของไอเคมี
การสะสมของชั้นสารประกอบ (การเผาผนึก)
กระบวนการผลิต:
- ชั้นแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ถูกบีบอัดระหว่างการเผาผนึก โดยการเพิ่มพันธะระหว่างสองชั้น ความต้านทานที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์–อิเล็กโทรดจะลดลง
- เตาเผาผนึกใช้เพื่อเผาสารประกอบแคโทด–อิเล็กโทรไลต์ สารได้รับความร้อนจนต่ำกว่าจุดหลอมเหลว
- ความพรุนที่เป็นผลลัพธ์ของวัสดุสามารถแก้ไขได้ตามพารามิเตอร์กระบวนการที่เลือก
- เพื่อหลีกเลี่ยงปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อม กระบวนการเผาผนึกเกิดขึ้นในบรรยากาศเฉื่อยหรือในสุญญากาศ
- การเผาผนึกมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่มีออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก เพื่อให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนของพื้นผิวที่ต่ำกว่าเพียงพอ
การผลิตสารประกอบชั้น (การระเหยด้วยความร้อน):
กระบวนการผลิต:
- สามารถใช้ขั้วบวกกับสารประกอบแคโทด – อิเล็กโทรไลต์โดยใช้การระเหยด้วยความร้อน เนื้อหาขั้วบวกทำจากลิเธียมโลหะ
- การระเหยด้วยความร้อนต้องใช้การให้ความร้อนลิเธียมโลหะจนถึงอุณหภูมิที่สูงกว่าจุดเดือด เช่น ด้วยเครื่องระเหยลำอิเล็กตรอน เพื่อให้สามารถเข้าถึงเฟสไอได้ ในห้องสุญญากาศ ไอน้ำกระจายอย่างสม่ำเสมอ
- การควบแน่นก่อให้เกิดการเคลือบบนพื้นผิวอุณหภูมิต่ำกว่าของอิเล็กโทรไลต์
- การระเหยด้วยความร้อนเกิดขึ้นในห้องสุญญากาศ เทียบได้กับการสปัตเตอร์
