แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่กรดตะกั่ว
Contents in this article

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานอย่างไร

การรับรู้ในสาธารณสมบัติคือแบตเตอรี่กรดตะกั่วเป็นเทคโนโลยีเก่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีการรับรู้ที่แตกต่างกัน มีความทันสมัย สะอาดกว่า มีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 3 หรือ 4 เท่า และอายุการใช้งานยาวนานขึ้น จากทั้งหมดนี้ เทคโนโลยีกรดตะกั่วอายุ 150 ปีมีข้อได้เปรียบอะไรบ้าง? ที่จริงแล้ว ทุกอย่างไม่ได้เป็นอย่างที่เห็น ดูพาดหัวข่าวที่ข้อมูลที่ใช้ในการอ้างสิทธิ์ทางการตลาด จากนั้นใช้สามัญสำนึกเล็กน้อย การวิจัยขั้นพื้นฐาน และวิทยาศาสตร์พื้นฐาน คุณจะพบว่าเรื่องจริงค่อนข้างแตกต่าง

ความเข้าใจผิดประการแรกเกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรและจำเพาะ ค่าพาดหัว 4 ถึง 5 เท่าเกี่ยวข้องเฉพาะความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะและเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในจำนวนที่จำกัด ซึ่งบางส่วนยังไม่ได้ใช้ในเชิงพาณิชย์ รูปที่. 2 เปรียบเทียบแคโทดหลายเซลล์สำหรับเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ช่วงเหล่านี้มีตั้งแต่ 100Wh/kg สำหรับเคมี Li-FePO4 ที่ปลอดภัยที่สุด ไปจนถึงมากกว่า 200Wh/kg สำหรับตัวแปรนิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียมออกไซด์ แผนภาพแบตเตอรี่กรดตะกั่วแสดงไว้ด้านล่าง:

Figure-2-Energy-densities-of-various-battery-chemistries-at-cell-level.jpg
รูปที่ 2 ความหนาแน่นพลังงานของเคมีแบตเตอรี่ต่างๆ ที่ระดับเซลล์
Figure-3-Comparison-of-Li-ion-and-Lead-acid-at-cell-and-system-level.jpg
รูปที่ 3 การเปรียบเทียบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ระดับเซลล์และระบบ

ค่าเหล่านี้ใช้กับระดับเซลล์เดียวเท่านั้น ไม่สามารถใช้กับแพ็คหรือเงื่อนไขในการบริการ รูปที่. 3 แสดงความหนาแน่นของพลังงานของสารเคมีในแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันในระดับเซลล์และระบบ ความหนาแน่นของพลังงานของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะลดลงครึ่งหนึ่งเมื่อติดตั้งอย่างสมบูรณ์พร้อมอุปกรณ์เชื่อมต่อ การทำความเย็น ความปลอดภัย และอุปกรณ์การจัดการแบตเตอรี่

ความได้เปรียบระดับเซลล์ที่ 3 ถึง 5 เท่าของความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะลดลงเหลือ 2 ถึง 3 เท่า ขึ้นอยู่กับเคมีของลิเธียมแคโทด เราเกือบจะสามารถมองหาความเท่าเทียมกันระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดสำหรับระบบแบตเตอรี่ที่ติดตั้งอย่างสมบูรณ์ในบางแอปพลิเคชัน
ปัจจัยอื่น ๆ ของวงจรชีวิตก็เป็นสาเหตุของความสับสนเช่นกัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถทำงานได้กี่รอบก่อนที่ความจุจะลดลงต่ำกว่า 80% ของพิกัดป้ายชื่อ สอง สามพัน? ตารางที่ 1 ให้ข้อมูลสรุปของวัสดุแคโทด Li-ion ต่างๆ สำหรับประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน

ข้อดีของเคมีแบตเตอรี่กรดตะกั่ว

แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์ที่แปลก ไม่มีใครต้องการพวกเขา แต่ทุกคนต้องการพวกเขา พวกเขาจะซื้อเมื่อจำเป็นเท่านั้น มีกี่คนที่วางแผนการเดินทางไปห้างสรรพสินค้าในท้องถิ่นเพื่อซื้อแบตเตอรี่จากหน้าต่าง เป็นการซื้อที่ไม่พอใจและซื้อเมื่อจำเป็นเท่านั้น พนักงานขายที่ดีสามารถขายรองเท้าให้คุณ 2 คู่ รถ 2 คัน และบ้าน 2 หลังถ้าคุณมีเงิน แต่เขาไม่สามารถขายแบตเตอรี่รถยนต์ SLI สองก้อนให้คุณได้ เมื่อคุณซื้อแบตเตอรี่ ไม่ว่าจะเป็น แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ สำหรับแผงโซลาร์เซลล์ จักรยานไฟฟ้า หรือ UPS และระบบสำรอง แบตเตอรี่อินเวอร์เตอร์ หรือ แบตเตอรี่สำหรับรถยก คุณไม่ได้ต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้หรือไม่

แบตเตอรี่กรดตะกั่วทำงานอย่างไร ประเภทและรุ่นต่างกันอย่างไร และเคมีต่างกันอย่างไร พวกเขาสามารถมีราคาแพง ในการใช้งานเชิงพาณิชย์หรือในประเทศ การคืนทุนคืออะไร อายุการใช้งานและค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแบตเตอรี่ตะกั่วกรดคืออะไร? ขนาดที่คุณต้องการ พื้นที่ว่าง ประสิทธิภาพพลังงานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด และเวลาในการชาร์จ? และจากนั้นก็มีค่าใช้จ่ายแอบแฝงในด้านความปลอดภัย การกำจัด และการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ บทความนี้เปรียบเทียบแบตเตอรี่ตะกั่วกรดกับ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และกล่าวถึงความเข้าใจผิดหลายประการที่เกี่ยวข้องกับเคมีทั้งสองนี้

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตัวไหนดีที่สุด

วัสดุแคโทด ชื่อสั้น แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด พลังงานจำเพาะ Wh/kg (เซลล์) วงจรชีวิต ความคิดเห็น
ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 อุปกรณ์พกพา - การระบายความร้อนด้วยการชาร์จไฟเกิน
ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 เครื่องมือไฟฟ้า เครื่องมือแพทย์ ปลอดภัยกว่า LCO
ลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-bikes, EV, อุตสาหกรรม - วงจรชีวิตสูง
ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, สันทนาการ - ปลอดภัยที่สุดสำหรับเคมีภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมด
ลิเธียมนิกเกิลโคบอลต์อลูมิเนียมออกไซด์ (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 อุตสาหกรรม ระบบส่งกำลัง EV (Tesla) TR ที่ 150C, CL 500
ลิเธียมไททาเนต (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, พลังงานแสงอาทิตย์, ระบบส่งกำลัง EV (ฮอนด้า, มิตซูบิชิ) CL 3000-7000 - ปลอดภัยมาก

อย่างที่เห็น ทั้งหมดอยู่ในช่วง 800 ถึง 2000 รอบ ในการเปรียบเทียบ แบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ออกแบบมาอย่างดีสามารถบรรลุ DOD มากกว่า 1600 รอบถึง 80% ได้อย่างง่ายดาย ทั้งหมดนี้รวมกันได้อย่างไรเมื่อพิจารณาต้นทุนการเป็นเจ้าของ? นี้นำเราไปสู่จุดต่อไปซึ่งเป็นราคาแบตเตอรี่ตะกั่วกรด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีราคาเท่าไหร่เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด? ต้นทุนโรงงานผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน? โดยธรรมชาติแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีราคาแพงกว่าแต่ราคาเท่าไหร่ อีกครั้งขึ้นอยู่กับระดับที่กำลังพิจารณา ข่าวประชาสัมพันธ์จะบอกเราว่าราคา Li-ion กำลังลดลงและตอนนี้อยู่ในช่วง 2-3 เท่าของกรดตะกั่ว

จริงๆ? ราคากลางในการค้นหาทางอินเทอร์เน็ตของสหราชอาณาจักรเมื่อเร็วๆ นี้ เพื่อให้ได้ราคาสำหรับแบตเตอรี่เพื่อการพักผ่อนหย่อนใจที่มีจำหน่ายทั่วไปขนาด 12V และ 100 Ah สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่ตะกั่วกรด:
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน $960 หรือ $800/kwh
แบตเตอรี่กรดตะกั่ว $215 หรือ $180/kwh
เห็นได้ชัดว่าอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะต้องเท่ากับ 4 เท่าของแบตเตอรี่กรดตะกั่วจึงจะได้รับค่าเท่ากัน อย่างที่เราได้เห็น นี่ไม่ใช่กรณี

Figure-5-Schematic-of-cradle-to-gate-principle-for-battery-manufacturing.jpg
รูปที่ 5 แผนผังของหลักการ cradle to gate สำหรับการผลิตแบตเตอรี่
Figure-6-Cradle-to-Gate-CO2-emissions-for-different-battery-chemistries.jpg
รูปที่ 6 การปล่อย CO2 จาก Cradle to Gate สำหรับสารเคมีในแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน

ในทุกกรณี โครงสร้างแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดมีความคุ้มทุนมากที่สุด แม้จะติดตั้งแบตเตอรี่กรดตะกั่วขนาดใหญ่ขึ้นเพื่อให้รับประจุได้ดีขึ้นและอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ในตัวอย่างนี้ แอปพลิเคชันคือเสาโทรคมนาคมในอินเดีย หลักการเดียวกันนี้เป็นจริงในการใช้งานและภูมิศาสตร์ส่วนใหญ่ เช่นเดียวกับในสภาพอากาศที่หนาวเย็น ความเข้าใจผิดอีกประการหนึ่งคือ Li-ion เป็นเทคโนโลยีที่สะอาดกว่าและมีมลพิษน้อยกว่ากรดตะกั่ว แท่นปล่อยสู่ประตูสำหรับสารเคมีของแบตเตอรี่แบบต่างๆ แสดงไว้ในรูปที่ 5 และ 6

รูปนี้แสดงขอบเขตการดำเนินงานสำหรับการผลิตแบตเตอรี่ ตั้งแต่การสกัดและขนส่งวัตถุดิบผ่านขั้นตอนการประมวลผลทั้งหมดจนถึงจุดที่แบตเตอรี่พร้อมที่จะจัดส่ง

ตารางที่ 2 เป็นสถานการณ์ในชีวิตจริงเปรียบเทียบเศรษฐศาสตร์ของการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและแบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ทำงานในช่วงชีวิตที่ต่างกัน

รายการต้นทุน ค่าใช้จ่ายรายวัน USD ค่าใช้จ่ายรายวัน USD
3 ปี แบตเตอรี่กรดตะกั่ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
ค่าตัดจำหน่าย 8.30 16.90
ดีเซล (ส่งมอบ) 15.50 15.50
การซ่อมบำรุง 2.46 2.46
ไฟฟ้า 1.47 1.47
การชาร์จแบตเตอรี่ 0.65 0.50
รวมวัน/เดือน 28.38/851 36.83/1105
6 ปี
ค่าตัดจำหน่าย 5.86 8.46
ดีเซล 15.50 15.50
การซ่อมบำรุง 2.46 2.46
ไฟฟ้า 1.47 1.47
การชาร์จแบตเตอรี่ 0.54 0.50
รวมวัน/เดือน 25.83/775 28.39/852

ข้อมูลจาก Argonne National Laboratories แสดงให้เห็นว่ากระบวนการผลิตทั้งหมดรวมถึงการสกัดและการขนส่งวัตถุดิบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นมีค่ากรดตะกั่วมากกว่า 4 เท่า ในส่วนของการสกัดวัสดุ การจัดหาวัสดุแคโทดพื้นฐาน เช่น โคบอลต์ แมงกานีส และลิเธียมนั้นยังไม่แน่นอน กระบวนการสกัดและกู้คืนมีอยู่ แต่จำนวนของเหมืองและไซต์การผลิตอาจจำกัดอุปทาน หากมีความต้องการเพิ่มขึ้นอย่างมาก แผนที่ทางภูมิศาสตร์การเมืองยังคาดการณ์ถึงความไม่แน่นอนของแหล่งข้อมูลบางส่วนเหล่านี้

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถรีไซเคิลได้หรือไม่?

ความสามารถในการรีไซเคิลและความปลอดภัยของสารเคมีเหล่านี้เป็นปัจจัยสำคัญ เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าส่วนประกอบเกือบทั้งหมดในแบตเตอรี่กรดตะกั่วนั้นรีไซเคิลได้ 100% ในขณะที่ไม่มีกระบวนการเชิงพาณิชย์สำหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สถานการณ์นี้เป็นที่เข้าใจได้เมื่อคุณพิจารณาว่าส่วนประกอบที่มีราคาแพงกว่าของ Li, Co, Mn ฯลฯ เป็นเพียงเศษเสี้ยวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมด ตัวอย่างเช่น ลิเธียมมีน้ำหนักประมาณ 4% ของน้ำหนักเซลล์ทั้งหมด เพิ่มข้อเท็จจริงที่ชัดเจนว่าลิเธียมมีปฏิกิริยาสูง (พื้นฐานของความหนาแน่นของพลังงานสูง) ซึ่งทำให้การสกัดจากของเสียมีราคาแพง

ปัจจัยเพิ่มเติมของความซับซ้อนด้วยวัสดุที่แตกต่างกันมากมายในการก่อสร้างทำให้การรีไซเคิลทำได้ยากทั้งในเชิงเทคนิคและเชิงเศรษฐกิจ ผลลัพธ์? ไม่มีแรงจูงใจในเชิงพาณิชย์ที่จะรีไซเคิลแบตเตอรี่เหล่านี้ ด้วยเหตุนี้ โรงงานรีไซเคิลจึงยังอยู่ในขั้นนำร่องและส่วนใหญ่ได้รับทุนจากรัฐบาล
ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ถูกทิ้งส่วนใหญ่ถูกเก็บสะสมไว้เพื่อรอให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีหรือการออกกฎหมายเพื่อบังคับให้มีการรีไซเคิล หากต้องดำเนินการอย่างหลัง จะมีค่าใช้จ่ายในที่สุดสำหรับการบริโภค ซึ่งจะทำให้ราคาเซลล์ Li-ion เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดกรดตะกั่ว

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถระเบิดได้หรือไม่

ในที่สุดเราก็มีความปลอดภัย ความรู้ของเราไม่มีการใช้งานแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่เคยมีการเรียกคืนด้านความปลอดภัย เนื่องจากเราทราบดีว่าเป็นกรณีของแบตเตอรี่ Li-ion ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและแม้แต่ยานพาหนะไฟฟ้า รูปที่. 7 แสดงให้เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นกับวอลโว่ไฮบริดใหม่ในสหราชอาณาจักรเมื่อสองสามสัปดาห์ก่อนในขณะที่เขียนบทความนี้ ในกรณีนี้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของแบตเตอรี่จะถูกไฟไหม้เมื่อชาร์จ

ไฟไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

รูปที่ 7 ไฟไหม้ที่เกิดจากแบตเตอรี่ Li-ion ในรถยนต์ไฟฟ้าไฮบริดของ Volvo: ที่อยู่อาศัยในเดือนเมษายน 2018 ในสหราชอาณาจักร

Figure-7-Fire-caused-by-a-Li-ion-battery-in-a-Volvo-hybrid-electric-vehicle-April-2018-UK-residence.jpg
ไฟไหม้รถยนต์วอลโว่ที่เกิดจากแบตเตอรี่ลิเธียม
Firemen-dousing-the-fire-caused-by-a-lithium-battery.jpg

วิดีโอนี้แสดงไฟไหม้ล่าสุดที่เกิดจากแบตเตอรี่ลิเธียม อาจเป็นเพราะความไม่สมดุลในเซลล์และ BMS ที่ไม่เหมาะสม

แม้ว่าการจัดเก็บหรือขนส่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเป็นสาเหตุของเพลิงไหม้ที่อันตรายร้ายแรงก็ตาม แม้ว่าเหตุการณ์เหล่านี้จะเกิดขึ้นได้ยาก แต่ก็ต้องยอมรับ และต้องติดตั้งอุปกรณ์ความปลอดภัยและซอฟต์แวร์การจัดการแบตเตอรี่ที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น แผนกดับเพลิงในนิวยอร์กยังอยู่ในกระบวนการตัดสินใจว่าจะจัดการกับไฟจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างไร นี่จะแนะนำอย่างยิ่งว่าจำเป็นต้องทบทวนมาตรการความปลอดภัยที่มีอยู่สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลก

ต่อไปนี้เป็นมุมมองจากแผนกดับเพลิงนิวยอร์ก:

อ้างบทความข่าว: ไดรฟ์ยูทิลิตี้ AWS 15 พ.ย. 2559 “ไฟไม่ใช่ปัญหาที่ใหญ่ที่สุด” โรเจอร์สกล่าว นักผจญเพลิงได้รับการฝึกฝนเพื่อจัดการกับไฟ แต่พวกเขาจำเป็นต้องรู้ว่าพวกเขากำลังจัดการกับอะไร แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถปล่อยกรดที่เป็นพิษและไอระเหยที่ติดไฟได้ ไอระเหยเหล่านั้นบางส่วนถูกไฟเผาผลาญ แต่ถ้าไม่มี ไอเหล่านี้อาจจุดไฟหรือเป็นปัญหาสำหรับนักผจญเพลิง ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือสิ่งที่เกิดขึ้น “หลังทำ” ซึ่งก็คือหลังจากที่ไฟดับ แม้ว่าแบตเตอรี่จะปิดตัวลง แต่ก็สามารถจุดไฟได้นานถึง 72 ชั่วโมง Rogers กล่าว – ร.ต. Paul Rogers Fire Department แผนกปฏิบัติการวัสดุอันตรายของนิวยอร์ก”

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่กรดตะกั่ว?

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีลักษณะการทำงานที่ดีกว่ากรดตะกั่วอย่างแน่นอน อย่างไรก็ตาม ข้อดีเหล่านี้จะลดลงอย่างมากโดยฮาร์ดแวร์เพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและการจัดการ ผลลัพธ์ที่ได้คือแบตเตอรี่กรดตะกั่วมีข้อดีที่แตกต่างกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาการใช้งานที่ไม่ได้จำกัดด้วยน้ำหนักหรือการรับประจุ ต้นทุนเริ่มต้นที่ต่ำกว่าของต้นทุนโรงงานผลิตแบตเตอรี่ตะกั่วกรด ราคาซื้อต่ำและค่าตัดจำหน่ายต่ำของกรดตะกั่วรวมกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำและความปลอดภัยโดยธรรมชาติ ให้ข้อดีดังต่อไปนี้:

  • ราคาซื้อที่ต่ำกว่า ราคาอยู่ที่ประมาณหนึ่งในสี่ของเทียบเท่า Li-ion ต้นทุนการดำเนินงานที่ลดลงเพื่อให้ต้นทุนการเป็นเจ้าของโดยรวมลดลงในแอปพลิเคชันส่วนใหญ่
  • ความสามารถในการรีไซเคิล เกือบ 100% ของวัสดุแบตเตอรี่ตะกั่วกรดทั้งหมดถูกรีไซเคิล มูลค่าของเสียสามารถสร้างรายได้เพิ่มเติมได้ถึง 20% ของต้นทุนวัสดุแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไม่มีโครงสร้างพื้นฐานหรือกระบวนการเชิงพาณิชย์สำหรับการรีไซเคิล
  • ความปลอดภัย. เคมีของกรดตะกั่วนั้นปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยเนื้อแท้
  • ความยั่งยืน มีแหล่งจ่ายกรดตะกั่วที่เป็นที่ยอมรับมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากสิ่งอำนวยความสะดวกในการรีไซเคิล ลิเธียมและวัสดุแคโทดอื่นๆ อาจมาจากพื้นที่ที่มีความอ่อนไหวทางการเมือง ทั้งความสามารถในการสกัดวัสดุและความสามารถในการผลิตทั่วโลกในปัจจุบันจะไม่สนับสนุนการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
  • รอยเท้าคาร์บอน. การผลิตแบตเตอรี่กรดตะกั่วมีฐานรองเพื่อกักเก็บคาร์บอนฟุตพริ้นท์หนึ่งในสามของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ภาพที่แตกต่างจากภาพที่บริษัทแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนวาด แม้ว่าจะเถียงไม่ได้ว่ากรดตะกั่วมีข้อเสียในด้านความหนาแน่นของพลังงาน แต่ความจริงก็คือแบตเตอรี่กรดตะกั่วยังคงเป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีความปลอดภัยสูง มีความสามารถในการแข่งขันสูง และเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดในการใช้งานต่างๆ มากมาย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร

วัสดุแคโทดและแอโนด: แม้ว่าเซลล์นิเกิลเมทัลไฮไดรด์ (Ni-MH) จะได้รับความนิยมในช่วงปี 1990 แต่ Sony Corporation ได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์เครื่องแรกของโลกในปี 1991 นอกจากเนื้อหาที่มีพลังงานสูงแล้ว ทั้งโดยมวลและปริมาตร แบตเตอรี่นี้ยังมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยมในอุณหภูมิต่ำ ลักษณะการโหลด และคุณลักษณะของวงจรอีกด้วย เป็นผลให้สามารถจับตลาดได้อย่างรวดเร็วและกลายเป็นแหล่งพลังงานที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์เสียงและวิดีโอ คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล โทรศัพท์แบบพกพาและอุปกรณ์พกพาอื่น ๆ

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ขั้นสูงในปัจจุบันเริ่มต้นด้วยการค้นพบการนำไอออนสูงของเฟสของแข็ง NaAl 11 O 17 ที่เรียกว่าโซเดียม β-อลูมินา โดย Kummer และเพื่อนร่วมงานที่ห้องปฏิบัติการของ Ford Motor Co. [1. Olof Ramsrtomström เจ้าของรางวัลโนเบลสาขาเคมี ภูมิหลังทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2019; 2. YFY Yao และ JT Kummer, J. Inorg. นิวเคลียส เคมี. 29, 2453 (1967)].

สิ่งนี้นำไปสู่การตระหนักว่าการขนส่งไอออนิกในของแข็งสามารถทำได้เร็วมาก และอาจนำไปสู่เทคโนโลยีใหม่ๆ ที่หลากหลาย หลังจากนั้นไม่นาน นักวิจัยของ Ford ได้แสดงให้เห็นว่าเราสามารถใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่นำไฟฟ้าได้สูงเพื่อผลิตแบตเตอรี่ชนิดใหม่ทั้งหมด โดยใช้โซเดียมหลอมเหลวที่ขั้วลบและสารละลายโซเดียมในกำมะถันที่หลอมละลายเป็นอิเล็กโทรดบวก โดยมีโซเดียมเป็นตัวนำ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งระหว่าง [N. Weber และ JT Kummer, Proc. การประชุมแหล่งพลังงานประจำปี 21, 37 (1967) ].

ตามที่คาดไว้ ในไม่ช้าก็มีการพิจารณาถึงความเป็นไปได้ของระบบลิเธียมที่คล้ายคลึงกัน เพราะเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าเซลล์ลิเธียมที่เทียบเท่ากันควรสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเซลล์โซเดียม นอกจากนี้ ลิเธียมมีน้ำหนักต่ำกว่าโซเดียม ข้อดีอีกประการหนึ่ง

ธาตุลิเธียมไม่สามารถใช้ได้ เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำ แต่กลับทำการตรวจสอบโลหะผสมลิเธียมที่เป็นของแข็ง ซึ่งส่วนใหญ่คือระบบ Li/Si และ Li/Al [ RA Huggins, J. Power Sources 81–82, 13 (1999)]

วัสดุจำนวนหนึ่งได้รับการตรวจสอบว่าเป็นสารตั้งต้นของอิเล็กโทรดที่เป็นบวก โดยให้ความสำคัญกับการใช้ FeS หรือ FeS 2 มากที่สุด เมื่อทำปฏิกิริยากับลิเธียม สารเหล่านี้จะ เกิดปฏิกิริยาสร้างใหม่ โดยที่เฟสเริ่มต้นหายไปและก่อตัวขึ้นใหม่ [DR Vissers, Z. Tomczuk และ RK Steunenberg, J. Electrochem ซ. 121, 665 (1974)].

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อใด

ศ.วิตติงแฮม สำรวจการแทรกแซงทางเคมีไฟฟ้าในวัสดุดังกล่าว และใน ปี 2516 ได้เสนอวัสดุเช่นอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ งานนี้ส่งผลให้แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใช้งานได้ใน ปี พ.ศ. 2519 เซลล์ที่ประสบความสำเร็จประกอบด้วย โลหะลิเธียมเป็นแอโนด และไททาเนียมซัลไฟด์ (TiS 2 ) เป็นแคโทด โดยมีลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต ( LiPF 6 ) เป็นอิเล็กโทรไลต์ในโพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) เป็นตัวทำละลาย การศึกษาที่มีแนวโน้มดีเหล่านี้เป็นแรงบันดาลใจให้ Whittingham สำรวจการรบกวนทางไฟฟ้าเคมีในวัสดุต่างๆ เช่น อิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ ต่อมาได้มีการสาธิตแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟที่ใช้งานได้ในปี 1976

[(a) Whittingham, MS Electrointercalation ในการเปลี่ยนผ่าน-Metal Disulphides เจ เคม. ซ., เคมี. คอมมูนิตี้ 1974, 328–329] (ร่วมกับบริษัทวิจัยและวิศวกรรม Exxon)
(b) Whittingham, MS Batterie ที่ Base de Chalcogénures สิทธิบัตรเบลเยี่ยม 819672, 1975.
(c) Whittingham, MS การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าและเคมีเชิงโต้ตอบ วิทยาศาสตร์ 1976, 192 (4244), 1126–1127

แต่ความสำเร็จนั้นอยู่ได้ไม่นาน ในการปั่นจักรยานซ้ำๆ โลหะลิเธียมจะเกิด dendrites ที่พื้นผิวโลหะในการปั่นจักรยาน ส่งผลให้เกิดการลัดวงจร
ปัญหานี้เป็นแรงผลักดันให้เกิดการค้นหาวิธีแก้ไขปัญหาทางเลือกใหม่และการกำหนดค่าเซลล์ “การถ่ายโอนไอออน” (เรียกอีกอย่างว่า “เก้าอี้โยก”) ซึ่งอิเล็กโทรดทั้งสองสามารถรองรับไอออนได้
หากวัสดุอิเล็กโทรดบวกในขั้นต้นประกอบด้วยลิเธียม และลิเธียมบางส่วนหรือทั้งหมดถูกถอดออกในระหว่างการชาร์จครั้งแรก เซลล์จะพัฒนาศักยภาพ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะมีวัสดุอิเล็กโทรดบวกที่ทำปฏิกิริยากับลิเธียมที่ศักย์ไฟฟ้าที่สูงกว่า 3V หากมีลิเธียมอยู่แล้ว และลิเธียมนี้สามารถสกัดด้วยไฟฟ้าเคมีได้

ใครเป็นผู้คิดค้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน?

วิธีการนี้ซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้วัสดุที่มีลิเธียมอยู่แล้ว ได้รับการพิสูจน์โดยศาสตราจารย์ Goodenough เป็นครั้งแรก ตัวอย่างแรกของวัสดุที่มีลิเธียมในขั้นต้นและการลบลิเธียมจากสารเคมีทางไฟฟ้าคืองาน Li1−xCoO2 ในปี 1980
[K. มิซูชิมะ, พีซี โจนส์, พีเจ ไวส์แมน และ เจบี กู๊ดอีนาฟ, เมเตอร์ ความละเอียด วัว. 15, 783 (1980)] และ Li1−xNiO2
[JB Goodenough, K. Mizushima และ T. Takada, Jpn. เจ. แอพพ์. สรีรวิทยา 19 (สนับสนุน 19-3), 305 (1980)]

ควบคู่ไปกับการพัฒนาแอโนด วัสดุแคโทดที่ดีกว่ายังถูกมองหาเพื่อให้ได้มาซึ่งแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลล์ที่สูงขึ้นร่วมกับแอโนดที่มีศักยภาพสูงกว่าลิเธียมโลหะ ความก้าวหน้าเกิดขึ้นในปี 1979-1980 เมื่อ John B. Goodenough และเพื่อนร่วมงานของเขาที่ Oxford
มหาวิทยาลัย สหราชอาณาจักร ค้นพบว่า LixCoO2 ซึ่งเป็นโลหะคัลโคเจไนด์อีกชนิดหนึ่งที่มีการแทรกสอดของประเภท MX2 สามารถทำหน้าที่เป็นวัสดุแคโทดได้
[ดีพอแล้ว เจบี; Mizushima, K. ตัวนำไฟฟ้าแบบเร็ว. สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาเลขที่ 4,357,215, 1982.
[มิซูชิมะ, K.; โจนส์ พีซี; นักปราชญ์, พีเจ; ดีแล้ว JB LixCoO2 (0
วัสดุแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง มาเตอร์ ความละเอียด วัว. 1980, 15 (6), 783–789].

โครงสร้างของวัสดุมีความคล้ายคลึงกับ Lix TiS2 มีช่องว่าง van der Waals ระหว่างโคบอลต์ไดออกไซด์ (CoO2 ) ชั้นที่ลิเธียมไอออนสามารถผูกมัดได้โดยไม่ต้องมีการขยายตัวของโครงตาข่ายมาก มีเหตุผลที่ดี พอสมควร ว่าเมื่อ X ใน MX2 เป็นองค์ประกอบอิเล็กโตรเนกาทีฟขนาดเล็ก กระบวนการดูดซับไอออนบวกที่เป็นผลลัพธ์จะสัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระเชิงลบขนาดใหญ่และแรงดันไฟฟ้าของเซลล์สูง (ΔG = -nFE) ด้วยออกซิเจน X สถานการณ์ถือว่ามีแนวโน้มดีเป็นพิเศษ นอกจากนี้ เนื่องจากลิเธียมไอออนถูกเสนอให้เคลื่อนที่ได้เพียงพอในอาร์เรย์ออกซิเจนที่บรรจุปิดสนิท

การให้เหตุผลได้รับการพิสูจน์แล้วว่าถูกต้อง และวัสดุ CoO2 แสดงศักยภาพที่สูงมากที่ ~4 ถึง 5 V เมื่อเทียบกับ Li+/Li ในกรณีนี้ การศึกษาทางไฟฟ้าเคมีได้ดำเนินการกับอิเล็กโทรไลต์ที่ประกอบด้วยลิเธียมเตตระฟลูออโรบอเรต (LiBF4) ในโพรพิลีนคาร์บอเนต
การค้นพบนี้ทำให้สามารถใช้วัสดุแอโนดที่มีศักยภาพสูงกว่าโลหะลิเธียม จึงเป็นการค้นหาวัสดุคาร์บอนที่เหมาะสมต่อไป เมื่อพิจารณาถึงความยากในการแก้ปัญหาการแทรกสอดระหว่างไฟฟ้าเคมีของกราไฟต์ จึงมีการตรวจสอบทางเลือกอื่นแทน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกคิดค้นขึ้นที่ไหน?

ความก้าวหน้าเกิดขึ้นใน ปี 1985 เมื่อกลุ่มชาวญี่ปุ่นที่นำโดย Akira Yoshino (จาก Asahi Kasei Corporation) ค้นพบเส้นใยคาร์บอนที่ปลูกในเฟสไอ (VGCF) และต่อมาคือ โค้กปิโตรเลียม ที่ผ่านการอบชุบด้วยความร้อน วัสดุหลังนี้เป็นที่ทราบกันดีว่ามีส่วนผสมของผลึก (กราฟิก) และโดเมนที่ไม่ใช่ผลึก และนักวิจัยสามารถระบุคุณสมบัติที่มีความเสถียร แต่มีประสิทธิภาพสูงโดยมีระดับความเป็นผลึกเฉพาะ

[Akira Yoshino, กำเนิดของแบตเตอรี่ Li-Ion, บทความ Angewandte, Angew., Chem. อินเตอร์ ศ. 2555 , 51, 5798-5800]

ด้วยวัสดุแอโนดที่มีประสิทธิภาพเหล่านี้ Yoshino ได้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยอิงจากการกำหนดค่าเซลล์ถ่ายโอนไอออน วัสดุคาร์บอนิกที่ระบุจึงถูกใช้เป็นแอโนด และใช้วัสดุ LixCoO2 ของ Goodenough (โดยทั่วไปจะมีดีบุกในปริมาณเล็กน้อย) เป็นแคโทด ชั้นตัวแยกประกอบด้วยโพลิเอทิลีนหรือโพลีโพรพิลีน และอิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยลิเธียมเปอร์คลอเรต (LiClO4) ในโพรพิลีนคาร์บอเนต (PC)
Yoshino ยังพิสูจน์ความปลอดภัยของแบตเตอรี่นี้ในปี 1986 ด้วยการลดน้ำหนักของแบตเตอรี่ ไม่มีไฟไหม้หรือการระเบิดเกิดขึ้นในขณะที่แบตเตอรี่ที่ใช้ขั้วบวกของโลหะลิเธียมทำปฏิกิริยารุนแรง

Figure-xx-Yoshinos-first-safety-tests-with-his-Li-ion-battery-in-1986.jpg

รูปที่ 8. Yoshino ทดสอบความปลอดภัยครั้งแรกด้วยแบตเตอรี่ Li-ion ของเขาในปี 1986
ก) ช่วงเวลาที่ก้อนเหล็กชนกับแบตเตอรี่
B) ต้นแบบแบตเตอรี่ Li-ion หลังจากการชน
C) แบตเตอรี่ขั้วบวกเมทัลลิก Li หลังจากการชน
[เครดิต: Akira Yoshino, การกำเนิดของแบตเตอรี่ Li-Ion, บทความ Angewandte, Angew., Chem. อินเตอร์ ศ. 2555 51 5798-5800 ]

การค้นพบและการพัฒนาเหล่านี้นำไปสู่การเปิดตัวแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์ในที่สุด
ในปี 1991 ด้วยการพัฒนาเพิ่มเติม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงถูกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์โดย Sony ในปี 1991 และโดยการร่วมทุนระหว่าง Asahi Kasei และ Toshiba ในปี 1992
[Nishi, Y. , การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรอง. เคมี. บันทึก 2001, 1, 406–413]
แบตเตอรี่ใช้วัสดุขั้วบวกที่ใช้ปิโตรเลียมโค้ก LixCoO2 เป็นแคโทด และอิเล็กโทรไลต์ที่ปราศจากน้ำประกอบด้วยลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) ในโพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จสูง (สูงสุด 4.1 V) โดยมีพลังงานจำเพาะที่บันทึกไว้ที่ ~80 Wh/kg และความหนาแน่นของพลังงานอยู่ที่ ~200 Wh/ลิตร

เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่อื่นๆ ที่ออกสู่ตลาดในขณะนั้น แบตเตอรี่ลิเธียมนั้นมีการแข่งขันสูงอย่างรวดเร็ว และปูทางไปสู่การปฏิวัติมือถือที่กำลังจะมาถึง
ในเวลาเดียวกัน พบว่ากราไฟท์สามารถใช้ร่วมกับองค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสมได้ [Fong R, Sacken U von, Dahn JR, การศึกษาการแทรกสอดลิเธียมเป็นคาร์บอนโดยใช้เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ไม่เป็นของเหลว เจ. อิเลคโทรเคม. ซ. 1990, 137 (7), 2009–2013]

ด้วยการใช้ตัวทำละลายที่ประกอบด้วยเอทิลีนคาร์บอเนต โดยทั่วไปแล้วจะละเลยเนื่องจากจุดหลอมเหลวที่สูงกว่า จึงเกิดโซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟส (SEI) ขึ้นที่พื้นผิวของอิเล็กโทรดกราไฟต์ระหว่างรอบการชาร์จ/การคายประจุ ดังนั้นจึงปกป้องวัสดุคาร์บอนจากการผลัดผิวและการสลายตัวเพิ่มเติม . [ Peled, E. พฤติกรรมไฟฟ้าเคมีของโลหะอัลคาไลและอัลคาไลน์เอิร์ ธ ในระบบแบตเตอรี่ที่ไม่มีน้ำ, แบบจำลองเฟสอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง เจ. อิเลคโทรเคม. ซ. 2522, 126 (12), 2047–2051.

การค้นพบนี้ได้รับการยอมรับอย่างรวดเร็วโดยชุมชนแบตเตอรี่ และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นต่อไปที่ใช้กราไฟต์เป็นวัสดุแอโนดได้รับการพัฒนา ด้วยวัสดุแอโนดนี้ แบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้าชาร์จ 4.2 V ถูกผลิตขึ้นหลังจากนั้นไม่นาน ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานอยู่ที่ ~400 Wh/ลิตร
การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ได้หยุดอยู่เพียงการค้นพบที่สำคัญเหล่านี้ แต่มีรายงานการปรับปรุงและทางเลือกมากมายตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ตัวอย่างเช่น มีการระบุวัสดุแคโทดใหม่อย่างต่อเนื่องเพื่อใช้ในการใช้งานแบตเตอรี่เฉพาะ และวัสดุดังกล่าวสองชนิดมาจากกลุ่มของ Goodenough ได้แก่ วัสดุนิล Li1-xMn2O4 และวัสดุโอลิวีน LixFePO4 (LFP)

[Padhi, อลาสกา; นันชุนทัสวามี แคนซัส; ดีพอแล้ว JB Phospho-Olivines เป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่เป็นบวกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้ เจ. อิเลคโทรเคม. ซ. 1997, 144, 1188–1194.
แธคเกอเรย์ MM; เดวิด, WIF; บรูซ PG; ดีพอแล้ว JB ลิเธียมที่ใส่เข้าไปในแมงกานีสสปิเนล มาเตอร์ ความละเอียด วัว. 2526, 18, 461–472]
วัสดุหลังถูกจำกัดด้วยศักยภาพที่ค่อนข้างต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ Li+/Li กว่า LixCoO2 แต่มีความเสถียรสูงและสามารถใช้ได้ที่อัตราการชาร์จที่สูง นอกจากนี้ยังมีการค้นพบวัสดุอิเล็กโทรดและระบบอิเล็กโทรไลต์อื่นๆ อีกหลายอย่าง ซึ่งนำไปสู่วัสดุกักเก็บพลังงานที่ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นกว่าเดิมเพื่อประโยชน์ของสังคม

แบตเตอรี่ชนิดใดที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า?

ปัจจุบัน EV ส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ Li-ion ก่อนหน้านี้มีการใช้แบตเตอรี่ Ni-MH และตะกั่วกรด แต่การใช้งานลดลงอย่างช้าๆ เนื่องจากการถือกำเนิดของแบตเตอรี่ Li-ion ซึ่งมีพลังงานจำเพาะที่สูงขึ้นและค่าความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น พลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดอยู่ที่ประมาณ 40-50 Wh/kg ในขณะที่แบตเตอรี่ Li-ion มีประมาณ 150 Wh/kg ค่าความหนาแน่นของพลังงานสำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดคือ 80-100 Wh/ลิตร ในขณะที่แบตเตอรี่ Li-ion มีมากกว่า 250 Wh/ลิตร

เซลล์ทรงกระบอกที่มีแคโทดนิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียม (NCA) และแอโนดคอมโพสิตซิลิกอน/กราไฟต์ เช่น เซลล์ที่ใช้ในชุดแบตเตอรี่เทสลารุ่นล่าสุด (2019-2020) มีอัตราอยู่ที่ประมาณ 270 Wh/kg และ 650 Wh/ลิตร เทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่า Licerion โดย Sion Power อ้างว่าพลังงานจำเพาะ 500 Wh/kg และความหนาแน่นของพลังงาน 1,000 Wh/L และ> 450 รอบในเซลล์พัฒนา 0.4 Ah
สำหรับแบตเตอรี่ขนาดเล็ก เราพูดถึง Wh สำหรับระบบที่มีความจุสูง จะใช้หน่วย kWh ค่า Wh หารด้วย 103 จะให้ kWh
ดังนั้น 850 Wh = 850/1000 = 0.850 kWh

เซลล์ที่ใช้ใน แบตเตอรี่ EV ในปัจจุบันสามารถเข้าถึงพลังงานจำเพาะที่ระบุได้ที่ 140 -170 Wh/kg พลังงานจำเพาะของก้อนแบตเตอรี่ที่เกิดขึ้นโดยทั่วไปจะต่ำกว่า 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์หรือ 80 -120 Wh/kg การลดลงนี้เกิดจากหลายชุดและสายเชื่อมต่อแบบขนาน BMS และระบบการจัดการระบายความร้อน (ความเย็นหรือความร้อน) ในปี 2019 เปอร์เซ็นต์แพ็คของส่วนประกอบที่ไม่ใช่เซลล์ลดลงเหลือประมาณ 28%

จนถึงขณะนี้ เซลล์ถูกใส่ลงในโมดูลก่อนแล้วจึงใส่ลงในแพ็ค ทั้งคู่ บริษัท คอนเทมเพเร็กซ์เทคโนโลยีร่วมสมัย Limited ประเทศจีน ( CATL) และเทสลาได้ตัดสินใจว่าพวกเขาต้องการกำจัดโมดูลและวางเซลล์ลงในแพ็คโดยตรง CATL ได้ดำเนินการดังกล่าวแล้วและเรียกมันว่า เทคโนโลยีเซลล์ต่อแพ็ค แม้ว่าข้อมูลเกี่ยวกับสิ่งนี้จะหายาก แต่บริษัทอ้างว่าสิ่งนี้สามารถเพิ่มพลังงานจำเพาะได้ 10–15% และปรับปรุงการใช้ปริมาณโดย 15–20% โดยรวมแล้วสามารถรายงานว่าสามารถลดชิ้นส่วนที่จำเป็นสำหรับชุดแบตเตอรี่ได้ถึง 40% [https://cleantechnica.com/2020/02/18/how-catl-lithium-iron-phosphate-batteries-could-be-leading-to-100-kwh-tesla-model-3/]

การกำหนดแบตเตอรี่ลิเธียม

คณะกรรมาธิการไฟฟ้าระหว่างประเทศ (IEC) และสถาบันมาตรฐานอินเดียได้กำหนดชื่อร่วมกันเพื่ออธิบายคุณสมบัติทางเคมีและขนาดของเซลล์ลิเธียมไอออน

[ เซลล์ลิเธียมและแบตเตอรี่สำรองสำหรับการใช้งานแบบพกพา, International Electrotechnical Commission, IEC 61960-1 และ IEC 61960-2 และ IS 16047: 2012 ]

ตัวอักษรกำหนดเคมีและปัจจัยรูปแบบในขณะที่ตัวเลขระบุขนาดทางกายภาพของเซลล์ อักษรตัวแรกอธิบายเคมีทั่วไป อักษรตัวที่สองกำหนดเคมีแคโทดเฉพาะ และอักษรตัวที่สามกำหนดรูปร่าง

อักษรตัวแรก: I – เคมีลิเธียมไอออน

ตัวอักษรตัวที่สอง: C- โคบอลต์, F- เหล็ก, Fp – เหล็กฟอสเฟต, N- นิกเกิล, M-แมงกานีส, Mp- แมงกานีสฟอสเฟต, T- ไทเทเนียม, V –วานาเดียมและ x – อื่น ๆ

ตัวอักษรตัวที่สาม: R- ทรงกระบอก, P-prismatic

ตัวเลขสองตัวแรกที่ตามหลังกำหนดเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นมม. และตัวเลขสามตัวสุดท้ายระบุความสูงในหน่วยสิบของมม. ดังนั้นเซลล์ที่กำหนด ICR19/66 จึงเป็นเซลล์ลิเธียมไอออนที่มีแคโทดโคบอลต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางซึ่งก็คือ> 18 มม. และ ≤ 19 มม. และความสูงโดยรวมสูงสุดคือ> 65 มม. และ ≤ 66 มม.

สำหรับเซลล์ปริซึม ตัวอักษรเริ่มต้นมีความหมายเหมือนกัน แต่ตัวเลขสองตัวแรกกำหนดความกว้างเป็นมม. ตัวเลขสองตัวถัดไปคือความสูงเป็นมม. และตัวเลขสองตัวสุดท้ายคือความยาวเป็นมม. ดังนั้น การกำหนดเซลล์ IMP9/35/150 อธิบายเซลล์ลิเธียมไอออนปริซึมที่มีเซลล์แคโทดแมงกานีสซึ่งมีความหนาสูงสุด > 8 มม. และ ≤ 9 มม. และความกว้างสูงสุดคือ > 34 มม. และ ≤ 35 มม. และความสูงโดยรวมสูงสุดคือ > 149 มม. และ ≤ 150 มม.

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานอย่างไร

วิธีทำแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

โลหะลิเธียมที่มีเลขอะตอม 3 ความหนาแน่น 0.534 g/cc มีศักยภาพในการลดมาตรฐานต่ำมาก (คู่ Li + /Li -3.05 V เทียบกับ SHE) และความจุจำเพาะทางทฤษฎีที่ 3860 Ah/kg (2061 mAh/cc) คือ น้ำหนักเบาที่สุด แรงดันไฟฟ้าสูงสุด และความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดของโลหะทั้งหมด (เปรียบเทียบกับตะกั่วของเลขอะตอม 82 ความหนาแน่น 11.29 g/cc ความจุจำเพาะทางทฤษฎีที่ 257.8 Ah/kg และค่าศักย์ไฟฟ้าลดมาตรฐานที่ -0.35V เทียบกับ SHE)

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน - วัสดุที่ใช้งาน

วัสดุแอกทีฟของอิเล็กโทรดบวกคือออกไซด์ผสมใดๆ เช่น LiCoO2 หรือ LiMnO2 หรือ LiFePO4 อิเล็กโทรดลบส่วนใหญ่เป็นสารประกอบกราไฟท์และคาร์บอนอสัณฐาน ใช้อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ (ที่มีเกลือนำไฟฟ้าลิเธียมที่แยกออกจากกัน เช่น LIPF6) ใช้โพรพิลีน (PP) หรือโพลิเอทิลีน (PE) หรือตัวคั่นแบบผสม ลิเธียมไอออนจะโยกย้ายไปมาระหว่างอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนระหว่างการชาร์จและการคายประจุ และถูกสอดแทรกเข้าไปในวัสดุที่ออกฤทธิ์ดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง:

Figure-1.-An-exploded-view-of-a-Li-ion-cell.jpg

รูปที่ 9 มุมมองระเบิดของเซลล์ลิเธียมไอออน

เครดิต: Zhang Z. , Ramadass P. (2012) ระบบและเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ใน: Meyers RA (eds) สารานุกรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีความยั่งยืน สปริงเกอร์ นิวยอร์ก นิวยอร์ก หน้า 6124 http s://doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663

วิธีชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในระหว่าง กระบวนการคายประจุ ในเซลล์ลิเธียมไอออน (LIB) ลิเธียมไอออนจากแอโนดจะถูกขจัดอินเทอร์คาเลต (หรือแยกออก) ลงในอิเล็กโทรไลต์ และ ลิเธียมไอออนเหล่านี้จากอิเล็กโทรไลต์จะถูกสอดแทรกเข้าไปในวัสดุแคโทด การเคลื่อนที่ของไอออนจากแอโนดไปยังแคโทดนี้มาพร้อมกับการปลดปล่อยอิเล็กตรอนที่ไหลในวงจรภายนอก กระบวนการย้อนกลับเกิดขึ้นระหว่าง กระบวนการชาร์จ โดยที่ ไอออนลิเธียมเคลื่อนจากแคโทดและสอดประสานในแอโนดผ่านอิเล็กโทรไลต์ LIB เชิงพาณิชย์มักใช้ออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน เช่น LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 และ LiFePO 4 เป็นวัสดุแคโทด ซึ่งเคลือบทับตัวเก็บกระแสอะลูมิเนียม

คาร์บอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสิบถึงยี่สิบเปอร์เซ็นต์และสารยึดเกาะโพลีเมอร์ %–10% ตัว เช่น พอลิไวนิลลิดีนไดฟลูออไรด์ (PVDF) และพอลิเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ก็ถูกเติมไปพร้อมกับวัสดุแอคทีฟเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าและให้การยึดเกาะของวัสดุอิเล็กโทรดดีขึ้นตามลำดับ วัสดุขั้วบวกเคลือบบนตัวเก็บกระแสทองแดงที่มีคาร์บอนและ PVDF หากจำเป็น

อิเล็กโทรดทั้งสองแยกจากกันโดยตัวแยกที่มีรูพรุน (โพลีเอทิลีนหรือฟิล์มโพลีโพรพิลีนที่มีความหนา 10–20 µm) ที่แช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ (LiPF6 ในตัวทำละลายอินทรีย์) ทั้งตัวแยกและสารละลายอิเล็กโทรไลต์ควรมีการนำไอออนิกที่ดีกว่า เซลล์มักจะถูกประดิษฐ์ขึ้นในปลอกโลหะในรูปแบบเยลลี่โรลโดยมีตัวคั่นแบบจุ่มอิเล็กโทรไลต์อยู่ระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง แผนผังของ LIB แสดงในรูปภาพ ซึ่งแสดงกระบวนการชาร์จและคายประจุโดยทั่วไป

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) แบบรีชาร์จได้ใช้การใส่/สกัดลิเธียมไอออน (Li + ) (ชนิดพันธุ์ทั่วไป) แบบย้อนกลับได้ เข้าหรือออกจากเมทริกซ์โฮสต์ (วัสดุแอกทีฟอิเล็กโทรดบวกและลบ) ที่เรียกว่าสารประกอบลิเธียมแทรกเมื่อปล่อยและประจุ กระบวนการเกิดขึ้น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกเรียกว่าแบตเตอรี่สำหรับเก้าอี้โยก เนื่องจากลิเธียมไอออน “โยก” ไปมาระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบในขณะที่เซลล์ถูกชาร์จและคายประจุ

วัสดุที่ออกฤทธิ์ในเชิงบวก มักจะเป็นโลหะออกไซด์ที่มีโครงสร้างเป็นชั้น เช่น ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO 2 ) หรือวัสดุที่มีโครงสร้างแบบอุโมงค์ เช่น ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn 2 O 4 ) ส่วนใหญ่อยู่บนตัวเก็บกระแสอะลูมิเนียม . วัสดุแอคทีฟเชิงลบ มักจะเป็น คาร์บอน กราไฟท์ นอกจากนี้ยังเป็นวัสดุที่มีชั้น ส่วนใหญ่อยู่บนตัวสะสมกระแสทองแดง ในกระบวนการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะถูกแทรกหรือดึงออกจากช่องว่างระหว่างชั้นอะตอมของวัสดุที่ทำงานอยู่

อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำหรืออิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ใช้ในเซลล์ลิเธียม

ตัวแยกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือโพลิโอเลฟินไมโครพอรัสฟิล์มโพลิเอทิลีน (PE) และโพลิโพรพิลีน (PP)

Figure-xx.-Discharge-mechanism-in-a-Li-ion-cell.jpg
รูปที่ 10. กลไกการคายประจุในเซลล์ลิเธียมไอออน (รูปโดย PG Balakrishnan)
Figure-xx-Charge-mechanism-in-a-Li-ion-cell.jpg

ปฏิกิริยาเซลล์ไฟฟ้าเคมีในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในเซลล์ลิเธียมไอออนทั่วไป จะเกิดปฏิกิริยาทั่วไปดังต่อไปนี้

ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดบวก:

LiMO 2 ⇔ Li 1-x MO 2 + x Li + + xe

ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดเชิงลบ:

C + y Li + + ye ⇔ Li y C

ปฏิกิริยาของเซลล์ทั้งหมด:

LiMO 2 + x/y C ⇔ x/y Li y C + Li 1-x MO 2

M = โลหะเช่น Co, Mn, Ni, Ti เป็นต้น

โดยปกติ x จะอยู่ที่ประมาณ 0.5 และ y อยู่ที่ประมาณ 0.16 ดังนั้น x/y จะอยู่ที่ประมาณ 3. [เจฟฟ์ ดาห์นและแกรนท์ เอ็ม. เออร์ลิช “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน”, คู่มือแบตเตอรี่ของลิน เดน ฉบับที่ 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw

อิเล็กโทรไลต์และโซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟส (SEI)

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำหรืออิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ถูกใช้ในเซลล์ลิเธียม Li-cells ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูงกว่า 4.2 V ต่อเซลล์ แม้ว่าเกลือลิเธียมขนาดใหญ่ เช่น ลิเธียมเฮกซะฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6), ลิเธียม เฮกซะฟลูออโร arsenate (LiAsF6), ลิเธียม เตตระฟลูออโรเรต (LiBF4), ลิเธียมเปอร์คลอเรต (LiClO4), ลิเธียม ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟเนต (LiCF3SO3), ลิเธียม ไดฟลูออโร (ออกซาเลต)บอเรต (LIODFB) เป็นต้น เป็นอิเล็กโทรไลต์จริง (เกลืออิเล็กโทรไลต์ที่คงอยู่) พวกเขาต้องการตัวทำละลายที่เหมาะสมที่เสถียรที่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นดังกล่าว ตัวทำละลายดังกล่าวส่วนใหญ่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง ทำให้ง่ายต่อการแยกตัวของไอออนิกและการดำรงอยู่ของ Li-ion ที่มีความเข้มข้นสูง ตัวทำละลายดังกล่าวยังทำหน้าที่เป็นปลอกละลายสำหรับการคงอยู่ของ Li ไอออน ซึ่งทำให้อิทธิพลของแอนไอออนเคาน์เตอร์ลดลง

ข้อเสียของการมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงคือมีค่า ความหนืดสูงขึ้น ซึ่งส่งผลให้ การเคลื่อนที่ของไอออนบกพร่อง เพื่อเอาชนะการนำไอออน ที่ต่ำกว่า ตัวทำละลายที่มีความหนืดต่ำ มักจะผสมกับตัวทำละลายที่มีความหนืดสูง แต่เนื่องจาก ตัวทำละลายที่มีความหนืดต่ำมีการแตกตัวของไอออนิกที่ต่ำกว่า จึงจำเป็นต้องตีอัตราส่วนการผสมที่เหมาะสมที่สุด เพื่อให้ส่วนผสมมีทั้งค่าการนำไฟฟ้าไอออนที่ดีและความคล่องตัวที่ดี ในฐานะตัวทำละลายที่ไม่ใช่น้ำ ของผสมของเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) กับอัลคิลคาร์บอเนตที่มีความหนืดน้อยกว่า เช่น ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC), ไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC) และเอทิลเมทิลคาร์บอเนต (EMC) ถูกใช้ใน LIB ที่มีจำหน่ายทั่วไป

ตัวทำละลายอะโปรติกคืออีเทอร์ เอสเทอร์ และอัลคิลคาร์บอเนต: พวกมันคือไดเอทิลอีเทอร์ (DEE), เตตระไฮโดรฟูแรน (THF), ไดออกโซเลน, เอทิลีนคาร์บอเนต (EC), โพรพิลีนคาร์บอเนต (PC), ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC), ไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC), เอทิลเมทิลคาร์บอเนต (EMC), เมทิลฟอร์เมต, γ-butyrolactone (BL), เมทิลอะซิเตท, อะซิโตไนไตรล์ (AN), ไดเมทิลซัลฟอกไซด์ (DMSO), ไดเมทิลฟอร์มาไมด์ (DMF), เมทิลคลอไรด์, ไนโตรมีเทนเป็นต้น)

อิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นสารละลายของเกลือลิเธียมในตัวทำละลายอินทรีย์หนึ่งตัวหรือมากกว่า โดยทั่วไปคือคาร์บอเนต

โพรพิลีนคาร์บอเนต (PC) ไม่สามารถใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ได้ ถ้าจะใช้กราไฟท์เป็นแอโนด เนื่องจากตัวเดิมสลายตัวบนพื้นผิวกราไฟท์ พีซีที่ใช้โดยลำพังโดยไม่มี EC หรือการเพิ่ม LiBOB เล็กน้อย) Li bisoxalato borate) อาจทำให้อิเล็กโทรดกราไฟท์เสื่อมสภาพได้เนื่องจากเชื่อมประสานกับลิเธียม ส่งผลให้เกิดการผลัดเซลล์ผิว

อิเล็กโทรไลต์เป็นค่าคงที่ (จำนวนไอออนที่ป้อนเข้าเท่ากับปล่อยให้อิเล็กโทรไลต์อยู่ระหว่างประจุและ

ปล่อย) เกลืออิเล็กโทรไลต์มักจะละลายในตัวทำละลายอินทรีย์คาร์บอเนต ผู้ผลิตแต่ละรายมีตัวทำละลายผสมกันโดยที่เอทิลีนคาร์บอเนต (EC) เป็นตัวหารร่วมสำหรับส่วนใหญ่

การก่อตัวของชั้นโซลิดอิเล็กโทรไลต์ระหว่างเฟส (SEI) เป็นอีกหน้าที่ที่สำคัญที่ทำโดยอิเล็กโทรไลต์ เมื่อโลหะอัลคาไลจุ่มลงในอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ หรือเมื่อศักย์ลบถูกนำไปใช้กับคาร์บอนหรืออิเล็กโทรดเฉื่อยที่แช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ SEI จะเริ่มก่อตัว

ชั้น SEI เกิดขึ้นทันทีเมื่อสัมผัสกับโลหะกับสารละลาย ประกอบด้วยผลิตภัณฑ์รีดิวซ์ที่ไม่ละลายน้ำและละลายได้บางส่วนของส่วนประกอบอิเล็กโทรไลต์ SEI เป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดความปลอดภัย ความสามารถด้านพลังงาน สัณฐานวิทยาของคราบลิเธียม อายุการเก็บรักษา และอายุวงจรของแบตเตอรี่ การยึดเกาะที่ดีกับขั้วบวกก็มีความสำคัญเช่นกัน

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น แบตเตอรี่อัลคาไลน์หลักหรือทุติยภูมิหรืออัลคาไลน์เอิร์ธที่ใช้งานได้จริงสามารถสร้างขึ้นได้ก็ต่อเมื่อสามารถหยุดการละลายหรือการกัดกร่อนของแอโนดได้ ดังนั้น อิเล็กโทรไลต์จึงต้องได้รับการออกแบบให้มีสารตั้งต้นของ SEI อย่างน้อยหนึ่งตัวที่ทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับลิเธียม (หรือกับแอโนดของโลหะอัลคาไล) เพื่อสร้างเฟสระหว่างเฟสของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่ไม่ละลายน้ำ ผลิตภัณฑ์จากการลดแอนไอออนของเกลือมักเป็นสารประกอบอนินทรีย์ เช่น LiF, LiCl และ Li 2 O ซึ่งตกตะกอนบนผิวอิเล็กโทรด การลดลงของตัวทำละลายตามมาด้วยการก่อตัวของทั้งส่วนประกอบ SEI ที่ไม่ละลายน้ำ เช่น Li 2 CO 3 และกึ่งคาร์บอเนตและโพลีเมอร์ที่ละลายได้บางส่วน

ในกรณีของอิเล็กโทรดคาร์บอน แรงดันไฟฟ้าที่เกิด SEI ขึ้นอยู่กับชนิดของคาร์บอน คุณสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาของพื้นผิว (ปริมาณเถ้า ประเภทของระนาบผลึก อัตราส่วนระนาบฐานถึงขอบ) อุณหภูมิ ความเข้มข้นและชนิดของตัวทำละลาย เกลือและสิ่งเจือปน และความหนาแน่นกระแส ในการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนครั้งแรก จะมีการสูญเสียความจุที่เรียกว่า “การสูญเสียความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้” (Q IR ) ซึ่งจำเป็นสำหรับการก่อตัวของ SEI เป็นหลัก

นอกเหนือจากการก่อตัวของ SEI แล้ว Q IR อาจเกิดจากการสูญเสียกำลังการผลิตที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ลดขนาดที่ละลายน้ำได้ (Q SP )

SEI ที่ปราศจากสิ่งปนเปื้อนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน มันมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นในระหว่างการปั่นจักรยานด้วยอัตราที่สูงและที่ระดับความลึกของการปล่อยประจุมากขึ้น
SEI ในสารละลายลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) และลิเธียมเฮกซะฟลูออโรอาร์เซเนต (LiAsF6) มีความต้านทานสูงกว่าเมื่อเทียบกับสารละลายของเกลืออื่นๆ นี่เป็นเพราะการเปลี่ยนแปลงสภาพต้านทานที่ส่งผลต่อการต้านทานที่ควบคุมโดยสปีชีส์ ซึ่งนำไปสู่อิมพีแดนซ์อินเทอร์เฟเชียลสูงของลิเธียมแอโนดในอิเล็กโทรไลต์ LiPF6 และ LiAsF6 นอกจากนี้ Li2CO3 ยังถูกระบุว่าเป็นหนึ่งในสารทู่ที่ดีที่สุดสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของวงจรลิเธียม [J Electrochem Soc.,164 (7) A1703-A1719 (2017)]

ตัวแยกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ตัวแยกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นฟิล์มที่มีรูพรุนพอลิโอเลฟิน และโดยทั่วไปแล้วจะเป็นโพลิเอทิลีน (PE) และโพลิโพรพิลีน (PP) ที่ดึงแกนเดียว, PE แบบสองแกน หรือ PP/PE/PP ที่ดึงแบบหลายแกน

วัตถุดิบสำหรับสารออกฤทธิ์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใช้วัสดุแคโทดที่แตกต่างกัน แอโนดเป็นแอโนดที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบสม่ำเสมอ ยกเว้นบางตัวเช่นแอโนดไททาเนียม-ไนโอเบียมออกไซด์ โลหะผสม Li-Si เป็นต้น ตารางและรูปต่อไปนี้ให้แนวคิดบางประการเกี่ยวกับสารเคมีต่างๆ ที่ใช้ในแบตเตอรี่เหล่านี้

Figure-xx-A-summary-of-some-present-and-future-electrode-chemistry-options-for-Li-ion-batteries.jpg

รูปที่ 12. สรุปตัวเลือกเคมีของอิเล็กโทรดในปัจจุบันและอนาคตสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความจุที่เสนอของ Li(Si) คือ 50% ของความจุตามทฤษฎีของวัสดุ ซึ่งคล้ายกับกรณีที่พบในวัสดุอิเล็กโทรดบวกบางชนิด

[เครดิต: Yu Miao, Patrick Hynan, Annette von Jouanne และ Alexandre Yokochi, Energies 2019, 12, 1074; ดอย:10.3390/en12061074]

ตารางที่ 1.

ลักษณะเฉพาะของเซลล์ลิเธียมไอออนที่มีวัสดุแคโทดต่างกัน

วัสดุแคโทด ลิ-นิ-โค-อัล (NCA) Li-Ni-Mn-Co (NMC) Li-MnO2 (LMO) ลิเธียมไอรอนฟอสเฟต (LFP) หลี่ ไททาเนต (LTO) ลิโคบอลต์ออกไซด์ (LCO)
แรงดันไฟที่กำหนดของเซลล์ (V) 3.6 3.65 (2.7-4.2) 3.8 3.25 (2-3.6) 3.2 3.6
พลังงานจำเพาะทางทฤษฎี (Wh/kg) 279 256 148 128 (373) 293 (175) 274 (370) (x=0.5)
ความจุจำเพาะสำหรับแคโทด (Ah/Kg) ศักยภาพเทียบกับ Li/Li+ (V) 180-200 (3.8) 200 148 (4.1) 150-170 (3.45) 175 274 (3.9) (x=0.5)
พลังงานจำเพาะสำหรับแคโทด (Wh/Kg) 680-760 610-680 410-492 548 518-587 544 -- 546
ความปลอดภัย ปลอดภัย ปานกลาง ปลอดภัย สูง ดีมาก ปานกลาง

วัสดุแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

วัสดุแคโทดต้องเป็นไปตามข้อกำหนดหลายประการซึ่งขึ้นอยู่กับการเลือกวัสดุอิเล็กโทรดบวก

  • เพื่อให้มีความจุสูง วัสดุเหล่านี้ต้องมีลิเธียมเป็นจำนวนมากตามที่ผลิตขึ้น
  • นอกจากนี้ วัสดุต้องสลับกลับกันได้โดยมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเพียงเล็กน้อยเพื่อให้มีอายุการใช้งานยาวนาน ประสิทธิภาพแอมแปร์ชั่วโมงสูง และประสิทธิภาพด้านพลังงานสูง
  • เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าเซลล์สูงและความหนาแน่นของพลังงานสูง ปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนลิเธียมต้องเกิดขึ้นที่ศักย์ไฟฟ้าสูงเมื่อเทียบกับลิเธียม
  • เพื่ออำนวยความสะดวกในกระบวนการชาร์จและคายประจุที่มีอัตราสูง การนำไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนในวัสดุจะต้องสูง
  • วัสดุอิเล็กโทรดบวกต้องไม่ละลายในอิเล็กโทรไลต์และต้องมีจำหน่ายในราคาที่เหมาะสม เพื่อลดต้นทุน ควรเตรียมจากวัสดุราคาไม่แพงในกระบวนการต้นทุนต่ำ

LiFePO 4 เป็นข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ ใน LiFePO 4 การขนส่งลิเธียมไอออนที่เพียงพอทำได้โดยการใช้อนุภาคอิเล็กโทรดที่มีขนาดอนุภาคนาโนเมตร [เจฟฟ์ ดาห์นและแกรนท์ เอ็ม. เออร์ลิช “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน”, คู่มือการใช้แบตเตอรี่ของลิน เดน ฉบับที่ 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw Hill, pp. 26.6, 2011]

สารออกฤทธิ์ในเชิงบวก (PAM) ในเซลล์ลิเธียมไอออนจะแตกต่างกันไปตามผู้ผลิต วัสดุแคโทดสามารถจำแนกได้เป็น 3 ประเภทใหญ่ ๆ [ Arumugam Manthiram, Nature Communications (2020) 11:1550] พวกเขาคือ:

ชั้นออกไซด์ - วัสดุแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ออกไซด์หลายตัวของ LiMO 2 ชนิดทั่วไป (โดยที่ M =วาเนเดียม โครเมียม โคบอลต์ และนิกเกิล) ตกผลึกในโครงสร้างเป็นชั้น โดยที่ไอออน Li + และ M 3+ จะอยู่ในช่องทางอื่น [เลนของโครงสร้างเกลือสินเธาว์เพื่อให้มีลำดับชั้น ของ O-Li-OMO

ใน LiCoO2 ของแคโทดออกไซด์ที่เป็นชั้น ประจุ ขนาด ใหญ่และความแตกต่างของขนาดระหว่าง Li + และไอออนไตรวาเลนต์ Co 3+ นำไปสู่การจัดลำดับไอออนบวกที่ดี ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการสนับสนุนการแพร่กระจายและการนำลิเธียมไอออนสองมิติที่รวดเร็วในระนาบลิเธียม

วัสดุแคโทดต้องการระดับความบริสุทธิ์สูงมาก และต้องปราศจากสิ่งเจือปนของโลหะที่ไม่ต้องการเกือบทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เหล็ก วานาเดียม และกำมะถัน

Figure-xx-Simplified-schematic-of-a-layered-structure-in-which-there-is-alternate-occupation-of-the.jpg

รูปที่ 13 แผนผังอย่างง่ายของโครงสร้างชั้นซึ่งมีอาชีพสำรองของ

ชั้นไอออนบวกระหว่างชั้นไอออนออกไซด์ที่อัดแน่น

[เครดิต: Robert A. Huggins, Advanced Batteries, Materials Science Aspects, Springer, New York, 2009, p.168]

เสถียรภาพทางโครงสร้างที่ดีพร้อมกับการนำไฟฟ้าและลิเธียมไอออนสูงมีลักษณะการคายประจุที่รวดเร็วพร้อมการย้อนกลับที่ดี ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้ LiCoO2 ยังคงเป็นหนึ่งในแคโทดที่ดีที่สุดในปัจจุบันด้วยแรงดันไฟฟ้าในการทำงานสูงถึง ~4 V. แคโทด LiCoO2 ได้รับการแก้ไข
ความท้าทายหลักสองประการที่เกี่ยวข้องกับแคโทดซัลไฟด์ที่ดำเนินการในปี 1970 มันเปิดใช้งานไม่เพียงแค่เพิ่มขึ้นอย่างมากในแรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการจาก< 2.5 V ถึง ~4 V แต่ยังรวมถึงการประกอบเซลล์โดยไม่ต้องใช้ลิเธียมแอโนดที่เป็นโลหะ

สปิเนลออกไซด์ - วัสดุแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แคโทดชั้นที่สองคือสปิเนล LiMn 2 O 4 (สูตรทั่วไปคือ AB 2 O 4 ) แม้ว่าโครงสร้างนี้โดยทั่วไปจะมีภาพเป็นพิกัดลูกบาศก์ แต่ก็มีชั้นออกไซด์คู่ขนานกันบนระนาบ (111) และมีทั้งตำแหน่งพิกัดแปดด้านและตำแหน่งที่ประสานกันแบบเตตระฮีดราลระหว่างระนาบไอออนออกไซด์ จำนวนไซต์แปดด้านเท่ากับจำนวนของออกไซด์ไอออน แต่มีไซต์ tetrahedral มากเป็นสองเท่า ความเสถียรของโครงสร้างสามมิติและการนำไฟฟ้าและลิเธียมไอออนสูงมีคุณสมบัติการคายประจุที่รวดเร็วยิ่งขึ้นสำหรับ Li 1 x Mn 2 O 4 พร้อมการย้อนกลับที่ดีเมื่อเทียบกับ LiCoO 2

ข้อได้เปรียบที่สำคัญในการเปลี่ยนจาก LiCoO 2 ไปเป็น LiMn 2 O 4 คือการลดต้นทุนอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากแมงกานีสมีต้นทุนต่ำกว่า Co. อย่างไรก็ตาม ปัญหาสำคัญประการหนึ่งของ LiMn 2 O 4 คือการละลายของแมงกานีสจากโครงตาข่ายไปเป็นอิเล็กโทรไลต์โดยมีปริมาณ H + (ระดับ ppm) เหลืออยู่ (ระดับความเป็นกรด) ในอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากการไม่สมส่วนที่รู้จักกันดีของ Mn 3 + ถึง Mn 4+ และ Mn 2+ ในกรด

Figure-xx-Schematic-of-the-spinel-structure-in-which-the-cations-are-distributed-between-the-close-packed.jpg

รูปที่ 14 . แผนผังของโครงสร้างนิลซึ่งมีการกระจายไอออนบวกระหว่างระนาบออกไซด์ (111) ที่บรรจุปิดสนิทระหว่างไซต์จัตุรมุขและรูปแปดด้าน [ เครดิต: Robert A. Huggins, Advanced Batteries, Materials Science Aspects, Springer, New York, 2009, หน้า 17].

วัสดุแคโทดลิเธียม-นิกเกิล-แมงกานีสออกไซด์ (LNMO) แรงดันสูงมีแนวโน้มที่ดีในแบตเตอรี่รุ่นต่อไป แต่สิ่งกีดขวางคือการขาดอิเล็กโทรไลต์ที่สามารถรองรับความเครียดของแบตเตอรี่ที่ใช้ LNMO เซลล์แบตเตอรี่ที่ใช้แคโทด LNMO ให้ผลลัพธ์เทียบเท่ากับแบตเตอรี่ลิเธียมประสิทธิภาพสูงอื่นๆ แต่มีต้นทุนที่ต่ำกว่ามาก

อย่างไรก็ตาม ผู้ผลิตอิเล็กโทรไลต์กำลังได้รับผลลัพธ์ที่น่าพึงพอใจมากจากการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจะส่งผลให้เกิดอิเล็กโทรไลต์ที่จะทำงานได้ดีในเซลล์แบตเตอรี่ LNMO https://blog.topsoe.com/the-cathode-material-for-next-generation-lithium-ion-batteries-is-ready

เมื่อเร็ว ๆ นี้ การเพิ่มปริมาณ Ni และการลดหรือกำจัดปริมาณโคบอลต์ในแคโทด NMC นั้นมีความโดดเด่นมากขึ้น [ Li, W. , Erickson., E. & Manthiram, A. แคโทดออกไซด์ชั้นนิกเกิลสูงสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ที่ใช้ลิเธียม , แนท. พลังงาน 5, 26 24 (2020)].

โพลีแอนไอออนออกไซด์ - วัสดุแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ออกไซด์ประเภทที่สามคือโพลิแอนไอออนออกไซด์ Polyanion oxides เช่น Fe 2 (MoO 4 ) 3 และ Fe 2 (WO 4 ) 3 พบว่าได้รับการแทรก/สกัดแบบย้อนกลับได้ของลิเธียมไอออน 2 ตัวต่อหน่วยสูตรเพื่อให้ Li 2 Fe 2 (MoO 4 ) 3 หรือ Li 2 Fe 2 ( WO 4 ) 3 ทั้งโดยวิธีเคมีและไฟฟ้าเคมี

[Manthiram, A. , Goodenough, JB การแทรกลิเธียมลงในเฟรมเวิร์ก Fe 2 (MO 4 ) 3 : การเปรียบเทียบ M = W กับ M = Mo เจ. โซลิดสเตตเคมี. 71, 349 360 (1987)].

จากผลงานของมณฑิรามและกู๊ดอีนาฟ

[Manthiram, A. & Goodenough, JB การแทรกลิเธียมลงในเฟรมเวิร์ก Fe 2 (MO 4 ) 3 : การเปรียบเทียบ M = W กับ M = Mo เจ. โซลิดสเตตเคมี. 71, 349–360 (1987) Manthiram, A. & Goodenough, การแทรก JB Lithium ลงในเฟรมเวิร์ก Fe 2 (SO 4 ) 3 J. แหล่งพลังงาน 26, 403–406 (1989)]

การสำรวจฟอสเฟตที่ประกอบด้วยลิเธียมเป็นแคโทดนำไปสู่การระบุ LiFePO 4 ของโอลิวีนเป็นแคโทด [Padhi, AK, Nanjundaswamy, KS & Goodenough, JB Phospho-Olivines เป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้ เจ. อิเลคโทรเคม. ซ. 144, 1188–1194 (1997) ในปี 1997

แต่คลาสโพลีเอเนียนออกไซด์ทนทุกข์ทรมานจากการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี [ Arumugam Manthiram การสื่อสารธรรมชาติ (2020) 11:1550].

การสำรวจฟอสเฟตที่ประกอบด้วยลิเธียมเป็นแคโทดนำไปสู่การระบุ LiFePO 4 ของโอลิวีนเป็นแคโทด [Padhi, AK, Nanjundaswamy, KS & Goodenough, JB Phospho-Olivines เป็นวัสดุอิเล็กโทรดบวกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้ เจ. อิเลคโทรเคม. ซ. 144, 1188–1194 (1997) ในปี 1997

แต่คลาสโพลีเอเนียนออกไซด์ทนทุกข์ทรมานจากการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี [ Arumugam Manthiram การสื่อสารธรรมชาติ (2020) 11:1550].

การผลิตวัสดุแคโทด - แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ก่อนหน้านี้ สารประกอบแคโทดลิเธียมเมทัลออกไซด์ทำมาจาก ลิเธียมคาร์บอเนตและเกลือของโลหะที่เลือก โดยใช้ปฏิกิริยาการแทนที่ทางเคมีหลายชุดในสารละลาย ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการถูกตกตะกอนและพ่นให้แห้ง

LiCoO 2 ถูกเตรียมขึ้นครั้งแรกโดยวิธีการสังเคราะห์แบบเดิมที่แสดง ไว้ ในรูป ผสมไตรโคบอลต์เตตระออกไซด์ (Co 3 0 4 ) และลิเธียมคาร์บอเนต (Li 2 CO 3 ) ให้เข้ากัน ตามด้วยเผาในการไหลของอากาศที่อุณหภูมิประมาณ 950ºC อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ทำให้ยากต่อการเตรียมอนุภาคหยาบของ LiCoO 2 และได้เฉพาะอนุภาคละเอียดที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 1-3 โมงเย็นเท่านั้น

วัสดุอิเล็กโทรดแบบแอกทีฟแบบละเอียดไม่เป็นที่ต้องการจากมุมมองด้านความปลอดภัย ในกรณีของการละเมิด เช่น การลัดวงจรภายนอกหรือการบดอัด อนุภาคละเอียดที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ทำปฏิกิริยาได้ง่ายในคราวเดียว และพลังงานเซลล์ทั้งหมดจะถูกปลดปล่อยออกมาอย่างกะทันหันภายในเวลาอันสั้นพร้อมกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด เซลล์สามารถลุกไหม้ได้ [Yoshio Nishi, in Lithium ion Batteries, M. Wakihara และ 0. Yamamoto (Eds.) หน้า 192-193].

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนผลิตขึ้นอย่างไร? ผังงาน

Figure-xx-Flow-chart-for-making-Li-CoO2.jpg

รูปที่ 15. ผังงานสำหรับการผลิต Li-CoO 2

[เครดิต: Yoshio Nishi ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, M. Wakihara และ 0. Yamamoto (บรรณาธิการ) หน้า 192-193].

กระบวนการที่ปรับปรุงแล้วสำหรับการสังเคราะห์ลิเธียมโคบอลต์ไทต์ที่มีขนาดอนุภาคใหญ่ขึ้น: จุดแรกคือการเติม PVA resin จำนวนเล็กน้อยในส่วนผสมของวัตถุดิบ (Co 3 0 4 และ Li 2 CO 3 ) เพื่อสร้างเม็ดเม็ดเล็กด้วยเครื่องบดย่อย . โดยการเผาเม็ดในกระแสลมที่มีก๊าซ C0 2 ปริมาณที่เหมาะสม อนุภาคลิเธียมโคบอลต์ไทต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย 20:00 น. จะถูกสังเคราะห์ ประเด็นที่สองคือ เราใช้ลิเธียมคาร์บอเนตในปริมาณที่มากเกินไปเล็กน้อย (Li 2 CO 3 ) ในวัตถุดิบ ดังนั้นอัตราส่วน Li/Co ในวัตถุดิบจึงมากกว่าหนึ่ง ขั้นตอนนี้ยังเอื้ออำนวยต่อการได้อนุภาคหยาบ และนอกจากนี้ LiCoO 2 ที่เป็นผลลัพธ์ยังมี Li 2 CO 3 ที่ตกค้างอยู่จำนวนเล็กน้อย

จุดแรกคือการเติมเรซิน PVA จำนวนเล็กน้อยในส่วนผสมของวัตถุดิบ (Co304 และ Li 2 CO 3 ) เพื่อสร้างเม็ดเม็ดเล็กด้วยเครื่องบดย่อย โดยการเผาผนึกลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์สามารถเตรียมได้โดยการยิงที่อุณหภูมิสูงของส่วนผสมของลิเธียมคาร์บอเนต Li 2 CO 3 และโคบอลต์ออกไซด์ Co 3 O 4 หรือโคบอลต์โลหะที่อุณหภูมิ 600–800 ° C จากนั้นหลอมผลิตภัณฑ์ที่อุณหภูมิ 900°C เป็นเวลาหลายชั่วโมง โดยทั้งหมดอยู่ภายใต้บรรยากาศที่มีออกซิเจน

นอกจากนี้ยังสามารถได้มาจากการเผาไฮเดรตออกไซด์ด้วยลิเธียมไฮดรอกไซด์ที่อุณหภูมิสูงถึง 750–900 °C

วิธีที่สามใช้ลิเธียมอะซิเตท โคบอลต์อะซิเตท และกรดซิตริกในปริมาณที่เท่ากันในสารละลายน้ำ การให้ความร้อนที่ 80°C จะทำให้ส่วนผสมกลายเป็นเจลใสหนืด เจลที่แห้งแล้วจะถูกบดและให้ความร้อนค่อยๆ ไปที่ 550 °C (https: //en.wikipedia.org/wiki/Lithium_cobalt_oxide)

ตัวอย่างทั่วไป ได้แก่ วิธีโซลเจล

ในกระบวนการโซล-เจล สารละลายที่เป็นน้ำของสารตั้งต้นและสารละลายของสารคีเลตจะถูกผสมเข้าด้วยกัน การระเหยช้าของตัวทำละลายทำให้เกิดโซลและความร้อนปานกลางของโซลที่ได้รับจึงทำให้เกิดเจล หลังถูกเผาที่อุณหภูมิที่เหมาะสมเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ

ตัวอย่างที่ 1

การสังเคราะห์ LiCoO 2 จากสารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่แตกต่างกัน: เกลือที่ใช้คือโคบอลต์ไนเตรต เฮกซาไฮเดรต (Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O และลิเธียมไนเตรต แอนไฮดรัส LiNO 3 เจลถูกผลิตขึ้นโดยใช้สารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนที่แตกต่างกันสี่ชนิด: กรดซิตริก แอนไฮดรัส (C 3 H 4 OH(COOH) 3 ไกลซีน (H 2 NCH 2 COOH); แป้ง (แป้งข้าวโพดเชิงพาณิชย์และเจลาติน)

สารละลายห้าชนิดที่ประกอบด้วย LiNO 3 และ Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O ในน้ำ 20 มล. โดยมีสัดส่วนของ Li:Co = 1.1:1 ถูกเตรียมไว้ สารก่อให้เกิดสารเชิงซ้อนจำเพาะถูกเติมในแต่ละสารละลาย: ( i ) กรดซิตริก (4.611 กรัม) เจือจางในน้ำ 5 มิลลิลิตร; ( ii ) ไกลซีน (1.501 ก.); ( iii ) แป้ง (1.250 กรัม); ( iv ) เจลาติน (3.500 ก.) และ ( v ) การทดสอบเปล่า

สารละลายสี่ตัวแรกถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 70 ถึง 80°C ในอ่างกลีเซอรีนจนกระทั่งเกิดเจล ระยะเวลาของกระบวนการนี้จะแตกต่างกันไปสำหรับสารก่อเจลแต่ละชนิด: ( i ) กรดซิตริก (5 ชั่วโมง), ( ii ) glycine (3 ชั่วโมง), ( iii ) แป้ง (1 ชั่วโมง), ( iv ) เจลาติน (3 ชั่วโมง) . การผลิตผงผลึกสำหรับตัวอย่างทั้งหมดดำเนินการในสองขั้นตอนในเตาเผาแบบปิดเสียง: ขั้นแรกให้เผาวัสดุที่ 300 °C เป็นเวลา 20-30 นาที และต่อมาให้ความร้อนที่ 700 °C เป็นเวลา 24 ชั่วโมง [บรูโน่ GA Freitas และคนอื่นๆ, J. Braz. เคมี. ซ. 28, 11, พ.ย. 2017].

ตัวอย่างที่ 2

จัดทำโดยวิธีโซลเจล

LiNO3 ถูกละลายครั้งแรกในสารละลายกรดซิตริก LiNO3, Ni(NO3)2.6H2O Co(Ac)2.4H2O และ Mg(NO3)2.6H2O ถูกใช้เป็นวัสดุเริ่มต้นของลิเธียม นิกเกิล โคบอลต์ และแมกนีเซียมใน LiNi 0.7 𝑥 M 𝑥 Co 0.3 O2 (0 ⩽ 𝑥 ⩽ 0.1) ตามลำดับ ปริมาณกรดซิตริกเท่ากับปริมาณโมลาร์รวมของ Co, Ni และ Mg จากนั้น Co(Ac)2 4H2O, Ni(NO3)2 6H2O และ Mg(NO3)2 6H2O ถูกเติมไปยังของผสม ของผสมทั้งหมดถูกทำให้ร้อนโดยอ่างน้ำที่ 80∘C ระหว่างกระบวนการให้ความร้อน จะเป็นสารละลายสีชมพูใสโดยไม่มีการตกตะกอน ในที่สุด สารละลายใสก็ค่อยๆ แห้งและเปลี่ยนเป็นเจล ซีโรเจลถูกทำให้แห้ง บด และจากนั้นให้ความร้อนในเตาอบที่ 120°C เป็นเวลา 12 ชั่วโมง

สารตั้งต้นของเจลถูกเผาที่ 5000°C ในอากาศเป็นเวลา 6 ชั่วโมง และทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้องในเตาหลอมแบบท่อ ผลิตภัณฑ์ที่ผ่านความร้อนจะถูกบดในปูนโมราเพื่อให้ได้ผง จากนั้นจึงเผาผงที่ 800 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 12 ชั่วโมง ในการผลิตแคโทด ขั้นแรกให้ผลิตภัณฑ์ที่เตรียมไว้ผสมกับอะเซทิลีนแบล็คและโพลีไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (80: 8:12 ในน้ำหนัก) ใน 𝑁-เมทิลไพร์โรลิโดน (NMP) จากนั้นนำสารละลายที่ได้มาเคลือบบนฟอยล์ Al และทำให้แห้งที่ 80 o C เป็นเวลา 18 ชั่วโมงสำหรับการกดแบบม้วนเพิ่มเติม . [ Hailang Zhang, ความก้าวหน้าในวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม ปีที่ 2014, รหัสบทความ 746341, ]

Figure-xx-Flow-chart-for-sol-gel-process-to-prepare-lithium-manganate.jpg

รูปที่ 16. ผังงานสำหรับกระบวนการโซลเจลเพื่อเตรียมลิเธียมแมงกาเนต

( เครดิต: YS Lee, YK Sun and KS, Nahm, Solid State Ionics 109 (1998) 285 ตามที่ให้โดย, M. Pasquali, S. Passerini และ G Pistoia, ในแบตเตอรี่ลิเธียม, วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, ed. โดย GA Nazri and G. Pistoia, Springer, New York, (2009), p. 318)

การผลิตวัสดุแอโนดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

เส้นทางที่ส่งเสริม LIB ที่มีพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานที่ดีขึ้นคือการเลือกวัสดุแอโนดที่เหมาะสม ซึ่งสามารถให้ความจุสูงและง่ายต่อการแพร่กระจายของ Li-ion ไปยังแอโนด พร้อมด้วยอายุการใช้งานที่ดีและปราศจากความกังวลด้านความปลอดภัย

ตามวัสดุตั้งต้น แอโนดคาร์บอนสามารถจำแนกได้หลายประเภทตามที่ระบุด้านล่าง

วัสดุสารตั้งต้นและพารามิเตอร์การประมวลผลกำหนดลักษณะของคาร์บอนที่ผลิต วัสดุที่สามารถแกรไฟต์ได้โดยการบำบัดที่อุณหภูมิสูง (2000 ถึง 3000 ° C) เรียกว่า คาร์บอนอ่อน

เมื่อทำเป็นกราไฟท์ ความผิดปกติของเทอร์โบสเตรติกจะถูกลบออกทีละน้อยตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และความเครียดในวัสดุจะลดลง [T. เจิ้ง เจเอ็น ไรเมอร์ส และเจอาร์ ดาห์น สรีรวิทยา รายได้ B 51 , 734 (1995)] ฮาร์ดคาร์บอน เช่น คาร์บอนที่เตรียมจากเรซินฟีนอล จะไม่สามารถสร้างเป็นกราฟได้ทันที แม้จะผ่านการบำบัดที่อุณหภูมิ 3000 องศาเซลเซียส วัสดุประเภทโค้กถูกเตรียมที่อุณหภูมิประมาณ 1,000 องศาเซลเซียส โดยทั่วไปมาจากสารตั้งต้นของปิโตรเลียมอะโรมาติก [เจฟฟ์ ดาห์นและแกรนท์ เอ็ม. เออร์ลิช “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน”, คู่มือการใช้แบตเตอรี่ของลิน เดน ฉบับที่ 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw Hill, pp. 26., 2011]

Figure-xx-Carbon-anode-materials-precursor-classification.jpg

รูปที่ 17. การจำแนกสารตั้งต้นของวัสดุคาร์บอนแอโนด

[เครดิต: เจฟฟ์ ดาห์นและแกรนท์ เอ็ม. เออร์ลิช “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน”, คู่มือการใช้แบตเตอรี่ของลิน เดน ฉบับที่ 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw Hill, pp. 26., 2011]

Goriparti แบ่งวัสดุแอโนดของ LIB ออกเป็น สามประเภท ขึ้นอยู่กับกลไกการเกิดปฏิกิริยากับลิเธียม [ Subrahmanyam Goriparti, Ermanno Miele, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Remo Proietti Zaccaria, Claudio Capiglia, J Power Sources 257 (2014) 421-443]

กลุ่มอินเตอร์คาเลชั่น/ดีอินเตอร์คาเลชั่น

แอโนดประเภทนี้รวมถึงวัสดุคาร์บอนและไททาเนียมออกไซด์ ความจุในการจัดเก็บที่เกิดขึ้นผ่านเส้นทางการแทรกสอดสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับพื้นที่ผิว สัณฐานวิทยา ความเป็นผลึก และการวางแนว ถ่านกัมมันต์ชนิดอ่อนเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปและใช้ในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ จะเห็นได้ว่าซอฟต์คาร์บอนเป็นเทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่ ในขณะที่ฮาร์ดคาร์บอนอาจนำเสนอทางเลือกที่น่าสนใจ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ต้องการความจุสูง เช่น ในภาคยานยนต์ไฟฟ้า แอโนดไททาเนียมออกไซด์ถูกใช้แล้วในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่บางประเภท

Schematics-of-the-structure-of-a-graphitizing-but-non-graphite-carbon-Soft-carbon.jpg
รูปที่ 18. [เครดิต: RE Franklin, Proc. ราชบัณฑิตยสถาน (ลอนดอน), A209, 196, 1951]
Schematics-of-the-structure-of-a-non-graphitizing-carbon-Hard-carbon.jpg

กราฟีนยังได้รับการตรวจสอบอย่างกว้างขวางอีกด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พบว่าคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพวกมันทำให้วัสดุนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับกราฟีนไฮบริด/แอโนดโลหะ (เช่น กราฟีนที่มี SnO2 และ Fe2O3) ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) มีความสำคัญสำหรับผลการเรียนที่น่าสนใจมาก แม้ว่าต้นทุนการผลิตอาจขัดขวางการประยุกต์ใช้เป็นวัสดุแอโนดแอกทีฟในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ในอนาคต

Figure-xx-Crystal-structure-of-hexagonal-graphite-showing-ABAB.jpg
รูปที่ 19. โครงสร้างผลึกของกราไฟท์หกเหลี่ยมแสดง ABAB... การเรียงซ้อนของแผ่นกราฟีนและเซลล์ของหน่วย [Credit: Mochida, I, Tansozaino Kagaku to Kogaku, Asakura, Tokyo (1990) หน้า 10 (ภาษาญี่ปุ่น), ดัดแปลงจาก Ralph J. Brodd และ Kazuo Tagawain in Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, หน้า 81, 2002)]
Figure-xx-Crystal-structures-of-graphite-hexagonal-upper-and-rombohedral-below-.jpg
รูปที่ 20 โครงสร้างผลึกของกราไฟต์ หกเหลี่ยม ( บน ) และสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน ( ด้านล่าง ) [เครดิต: Zempachi Ogumi และ Hongyu Wang (2009) วัสดุคาร์บอนแอโนดใน Yoshio M. , Brodd RJ, Kozawa A. (eds) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สปริงเกอร์, นิวยอร์ก, นิวยอร์ก, หน้า 55 https://doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4_8]

อย่างไรก็ตาม สำหรับแบตเตอรี่ EV ขนาดใหญ่ มักนิยมใช้กราไฟท์ราคาประหยัดเนื่องจากต้องคำนึงถึงต้นทุนด้วย

ในประเภทที่สอง มีการ อธิบายวัสดุโลหะผสม เช่น Si, Ge, SiO, SnO2 วัสดุเหล่านี้สามารถให้ความจุขนาดใหญ่และความหนาแน่นของพลังงานสูงเมื่อเทียบกับกลุ่มก่อนหน้า โดยทำปฏิกิริยากับลิเธียมในกลไกไฟฟ้าเคมีของโลหะผสม/ดี-โลหะผสม อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้แสดงถึงการขยายปริมาณมาก ซึ่งส่งผลให้สูญเสียความจุอย่างมากเมื่อวนรอบ การลดขนาดจากขนาดใหญ่เป็นระดับนาโนพร้อมกับการสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อนโดยการรวมกับเมทริกซ์นำไฟฟ้าได้รับการเสนอเพื่อเอาชนะปัญหาที่ระบุไว้ข้างต้นและเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแอโนดโดยรวม

ซิลิคอนและ SnO2 และคอมโพสิตของพวกมันที่มีคาร์บอนเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการใช้งานในแบตเตอรี่ลิเธียมในอนาคต อย่างไรก็ตาม วิธีการที่ไม่แพงสำหรับการผลิตจำนวนมากเนื่องจากวัสดุแอโนดยังคงมีความจำเป็น ในทางกลับกัน แม้ว่า Ge จะน่าสนใจสำหรับคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าและผลการทดลองในห้องปฏิบัติการที่ยอดเยี่ยม แต่ก็มีข้อเสียเปรียบในการเป็นองค์ประกอบอันดับที่ห้าสิบในแง่ของความอุดมสมบูรณ์ในเปลือกโลก ดังนั้น ดูเหมือนว่าจะไม่ใช่ตัวเลือกที่ดีสำหรับแอพพลิเคชั่นจำนวนมากของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม

ในกลุ่มที่สาม อธิบายวัสดุที่ทำปฏิกิริยากับลิเธียมในรูปแบบปฏิกิริยาการแปลง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การพิจารณาโลหะออกไซด์/ฟอสไฟด์/ไนไตรด์/ซัลไฟด์ อย่างไรก็ตาม วัสดุเหล่านี้ยังห่างไกลจากตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ เนื่องจากการกักเก็บความจุต่ำและฮิสเทรีซิสที่มีศักยภาพสูง ดังนั้นจึงมีการตรวจสอบรูปแบบโครงสร้างนาโนที่หลากหลายเพื่อแก้ไขปัญหาที่ระบุข้างต้น

นาโนเทคโนโลยีเป็นแนวทางที่น่าเกรงขามอย่างแน่นอนสำหรับวิศวกรรมวัสดุแอโนดรุ่นต่อไปสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม เพื่อที่จะใช้วัสดุที่อธิบายไว้เป็นแอโนดที่มีประสิทธิภาพใน LIB เชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน EV จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติม ในความเป็นจริง จำเป็นต้องบรรลุทั้งพลังงานที่สูงขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นพร้อมกับการพัฒนากระบวนการผลิตที่ไม่แพงสำหรับการสังเคราะห์วัสดุที่มีขนาดนาโนในขนาดใหญ่ นอกจากนี้ การตรวจสอบกลไกที่พิจารณาปฏิสัมพันธ์ระหว่างลิเธียมและรูปแบบนาโนของวัสดุที่อธิบายไว้พร้อมกับคุณสมบัติการขนส่งอิเล็กตรอนที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบวัสดุแอโนดแอกทีฟรุ่นต่อไปที่ออกแบบโดยนาโนเทคโนโลยี .

อิเล็กโทรดเชิงลบที่ใช้ในเซลล์ลิเธียมเกี่ยวข้องกับสารละลายลิเธียมที่เป็นของแข็งในรูปของคาร์บอน เซลล์ลิเธียมที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของลิเธียมจำเป็นต้องใช้โลหะผสมแทนลิเธียมที่เป็นองค์ประกอบ โดยทั่วไปจะเป็นเฟสโลหะไบนารีหรือไตรภาค นอกจากนี้ยังมีความสนใจที่เพิ่มขึ้นในปัจจุบันเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการใช้โลหะผสมแทนคาร์บอนที่อุณหภูมิแวดล้อม โดยมีเป้าหมายในการลดปริมาณอิเล็กโทรด รวมทั้งบรรลุความจุที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ [Robert A. Huggins, Advanced Batteries, Materials Science Aspects, Springer, New York, 2009, p.123]

กราไฟต์มีลักษณะเป็นแอมโฟเทอริก และสามารถใส่ไพเพอร์หรือแอนไอออนเข้าไประหว่างชั้นกราฟีนได้ เมื่อใส่ไพเพอร์เข้าไป โครงสร้างกราไฟต์ของโฮสต์จะมีประจุเป็นลบ ตัวอย่าง Cation คือ Li + , K + , Rb + และ Cs + เมื่อใส่แอนไอออนเข้าไป โครงสร้างกราไฟต์ของโฮสต์จะมีประจุบวก และตัวอย่างแอนไอออนคือ Br ,SO2 , SbF6

การแทรกโลหะอัลคาไลลงในคาร์บอนเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2469 [K. Fredenhagen และ G. Cadenbach, Z. Anorg. ออลก. เคมี. 158, 249 (1926)] และการสังเคราะห์ทางเคมีของลิเธียม-คาร์บอนได้แสดงให้เห็นในปี 1955 [ D. Guerard, A. Herold, Carbon 13, 337 (1975 )]. เอกซเรย์ การทดลองทางสเปกโตรสโกปีของโฟโตอีมิชชันแสดงให้เห็นว่าลิเธียมที่ใส่เข้าไปจะปล่อยอิเลคตรอนไปเป็นคาร์บอน และด้วยเหตุนี้โครงสร้างจึงสามารถมองได้ว่าเป็นไอออน Li + ที่อยู่ระหว่างชั้นคาร์บอนของโครงสร้างกราไฟท์

[GK Wertheim, PMTh.M. Van Attekum และ S. Basu ชุมชนโซลิดสเตต 33, 1127 (1980)]. การตรวจสอบทั่วไปของงานแรก ๆ เกี่ยวกับการแทรกสายพันธุ์เข้าไปในกราไฟท์สามารถพบได้ใน
[LB Ebert, Intercalation Compounds of Graphite, ในการทบทวนวัสดุศาสตร์ประจำปี,
ฉบับที่ 6 เอ็ด โดย RA Huggins, Annual Reviews, Palo Alto, CA (1976), p. 181].

ปัจจัยสำคัญในความบริสุทธิ์ของวัสดุแอโนดคือความจำเป็นในการกำจัดสปีชีส์ที่มีออกซิเจนบนพื้นผิวเพราะสิ่งเหล่านี้จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ เพื่อป้องกันปฏิกิริยานี้ ผู้ผลิตจะอบกราไฟท์ที่อุณหภูมิ 1100ºC) ในบรรยากาศลดหรือเฉื่อย สิ่งนี้จะเพิ่มต้นทุนสำหรับการใช้งานอื่น ๆ เมื่อเทียบกับกราไฟท์ คาร์บอน (90%) ผสมกับส่วนผสมอื่น ๆ หลายอย่างเพื่อทำเป็นแอโนดหรือสารละลาย เช่นเดียวกับแคโทด โพลีไวนิลลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) ถูกใช้เป็นสารยึดเกาะ (-5%) และเติมคาร์บอนแบล็คจำนวนเล็กน้อยเพื่อให้แน่ใจว่ามีการนำไฟฟ้า นอกจากนี้ n-methyl pyrrolidone (NMP) ยังใช้ในการละลายวัสดุเพื่อสร้างส่วนผสมที่สม่ำเสมอ แรงดันทำให้ขนาดเกรนสม่ำเสมอ (Sandi 1999)

ลิเธียมไททาเนต (LTO) กำลังได้รับความสนใจอย่างมาก เซลล์ LTO ทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าสารเคมีอื่นๆ และมีความหนาแน่นของพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม เซลล์ดังกล่าวต้องทนทุกข์ทรมานจากแรงดันไฟฟ้าที่ระบุต่ำกว่า โดยอยู่ในช่วงประมาณ 2.2–2.3 V ต่อเซลล์ [Norio Takami, Hiroki Inagaki, Yoshinao Tatebayashi, Hidesato Saruwatari, Keizoh Honda, Shun Egusa, J Power Sources 244 (2013) 469-475]

วัสดุอิเล็กโทรด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นกราไฟต์ จะขยายตัว 10% ระหว่างกระบวนการชาร์จ กราไฟต์จะฟื้นปริมาตรเดิมเมื่อลิเธียมไอออนแยกตัวออกจากกัน ลิเธียมไอออนจะไม่เพียงแต่สอดแทรกเข้าไปในกราไฟท์เท่านั้น หากใช้อะลูมิเนียมแต่ยังถูกสอดเข้าไปในตัวนำด้วย ทำให้เกิดเป็นโลหะผสมอะลูมิเนียม-ลิเธียม กระบวนการย้อนกลับจะเกิดขึ้นระหว่างการคายประจุ อลูมิเนียมจะเสื่อมโทรมหลังจากผ่านไปสองสามรอบและจะไม่มีประโยชน์ในฐานะตัวสะสมปัจจุบัน

อย่างไรก็ตาม หากขั้วลบทำจากลิเธียมไททาเนตแทนกราไฟท์ สถานการณ์จะเปลี่ยนไปอย่างมาก ศักย์ไฟฟ้าของ Li 4 Ti 5 O 12 นั้นสูงกว่ากราไฟต์ประมาณ 1.4 V (แรงดันเซลล์ต่ำกว่าประมาณ 1.4 V, 2.2 V เทียบกับ 3.6 V) สิ่งนี้จะป้องกันไม่ให้ลิเธียมไอออนถูกสอดแทรกเข้าไปในอะลูมิเนียม ดังนั้นอลูมิเนียมจึงเป็นที่นิยมมากกว่าทองแดงเนื่องจากเหตุผลด้านต้นทุนและด้านน้ำหนัก Li 4 Ti 5 O 12 ส่วนใหญ่ใช้ในการใช้งานแบบอยู่กับที่ เนื่องจากเซลล์มีแรงดันไฟต่ำกว่า [ Călin Wurm et al., in Lithium-Ion Batteries, Reiner Kortauer (ed), แปลโดย Michael Wuest et.al., Springer, 2018. หน้า 57 ]

กระบวนการผลิตลิเธียมไททาเนต: ส่วนผสมของไททาเนียมไดออกไซด์และสารประกอบลิเธียม (อย่างใดอย่างหนึ่งต่อไปนี้: ลิเธียมคาร์บอเนต ลิเธียมไฮดรอกไซด์ ลิเธียมไนเตรต และลิเธียมออกไซด์) จะถูกเผาล่วงหน้าที่อุณหภูมิระหว่าง 670°C ถึง 8000°C . ได้รับสารประกอบที่ประกอบด้วย TiO 2 และ Li 2 TiO 3 หรือสารประกอบที่ประกอบด้วย TiO 2 , Li 2 TiO 3 และ Li 4 Ti 5 O 12 จากนั้นจึงเผาสารประกอบที่อุณหภูมิในช่วง 800 ถึง 950 องศาเซลเซียส [Tetsuya Yamawaki et.al., US Patent 6,645,673 B2, 2003 มอบหมายให้ Toho Titanium Co., Ltd., Chigasaki]

แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ SCiB™ ของโตชิบา (https://www.scib.jp/en/)
SCiB™ ใช้ลิเธียมไททาเนียมออกไซด์ (LTO) ในแอโนดเพื่อให้เกิดความปลอดภัย อายุการใช้งานยาวนาน ประสิทธิภาพในอุณหภูมิต่ำ การชาร์จอย่างรวดเร็ว กำลังอินพุต/เอาต์พุตสูงและความจุขนาดใหญ่ที่มีประสิทธิภาพ SCiB™ พบการใช้งานที่หลากหลายในยานยนต์ อุตสาหกรรมและโครงสร้างพื้นฐาน รวมถึงรถยนต์ รถประจำทาง รถราง ลิฟต์ และโรงไฟฟ้า

การผลิตเครื่องแยกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

มีกระบวนการสองประเภท: แบบเปียกและแบบแห้ง ผู้ผลิตในญี่ปุ่นใช้กระบวนการแบบเปียกซึ่งพอลิเมอร์ถูกละลายในน้ำมัน จากนั้นน้ำมันจะระเหยกลายเป็นฟิล์มที่มีรูพรุน พวกเขาใช้โพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเป็นพิเศษในการผลิต Celgard ฟิล์มโพลีเมอร์เป่าสามชั้นถูกเคลือบ ดึงลงมา และอบอ่อนใต้จุดหลอมเหลวเพื่อควบคุมโครงสร้างโพลีเมอร์ จากนั้นแผ่นจะถูกยืดออกอย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้รูพรุน

มีกระบวนการสองประเภท: แบบเปียกและแบบแห้ง ผู้ผลิตในญี่ปุ่นใช้กระบวนการเปียกซึ่งพอลิเมอร์ถูกละลายในน้ำมัน จากนั้นน้ำมันจะระเหยกลายเป็นฟิล์มที่มีรูพรุน พวกเขาใช้โพลีเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเป็นพิเศษในการผลิต Celgard ฟิล์มโพลีเมอร์เป่าสามชั้นถูกเคลือบ ดึงลงมา และอบอ่อนใต้จุดหลอมเหลวเพื่อควบคุมโครงสร้างโพลีเมอร์ จากนั้นแผ่นจะถูกยืดออกอย่างรวดเร็วเพื่อให้ได้รูพรุน

[Pekala, RW, et al., 2000, “Separators: An Overlooked Opportunity to Enhance Battery Performance?,” การสัมมนาระหว่างประเทศครั้งที่ 17 และนิทรรศการเกี่ยวกับแบตเตอรี่หลักและแบตเตอรี่รอง, Ft. ลอเดอร์เดล, ฟลอริดา, 6-9] มีนาคม

กระบวนการนี้มีความละเอียดอ่อนมากต่อสภาพการทำงานและแม้กระทั่งแตกต่างกันไปตามแบทช์วัสดุ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างระมัดระวัง [Linda Gaines และ Roy Cuenca, Cost of Lithium ion batteries for Vehicles, ANL Report ANL/ESD-42, May 2000, pp. 20 ] .

อย่างไรก็ตาม ความหนาเพิ่มเติมที่จำเป็นในตัวแยกสำหรับเซลล์ EV/HEV จะชดเชยความแข็งแรงที่ลดลง [ย. Nishi ใน: M. Wakihara, O. Yamamoto (Eds.), Lithium Ion Batteries, Wiley/VCH/Kodansha, Tokyo, 1998, p. 195.
พี. อาโรรา, ซี. จาง, เคม. รายได้ 104 (2004) 4419]

นอกเหนือจากลักษณะทั่วไป เช่น ความแข็งแรงเชิงกลที่ดี การซึมผ่านของอิเล็กโทรไลต์ เครื่องแยกที่มีรูพรุนขนาดเล็กเหล่านี้ยังแสดง คุณสมบัติในการป้องกัน ในระหว่างการใช้งานเซลล์ในทางที่ผิด ตัวอย่างเช่น หากอุณหภูมิของเซลล์สูงขึ้นอย่างผิดปกติเนื่องจากการมีประจุมากเกินไป ตัวอย่างเช่น ความร้อนที่ก่อตัวขึ้นจะทำให้ PE อ่อนตัวลงและปิดรูพรุนขนาดเล็กในฟิล์ม สิ่งนี้เรียกว่า ตัวคั่น “การปิดระบบ” เมื่อเกิดการปิดเครื่อง การขนส่งไอออนิกระหว่างอิเล็กโทรดจะหยุดทำงานอย่างมีประสิทธิภาพและกระแสจะหยุดไหล หากตัวคั่นสามารถรักษาความสมบูรณ์ทางกลให้อยู่เหนืออุณหภูมิในการปิดเครื่อง ก็สามารถให้ความปลอดภัยกับอุปกรณ์ได้ มิฉะนั้น อิเล็กโทรดสามารถสัมผัสโดยตรง ทำปฏิกิริยาทางเคมี นำไปสู่การหนีจากความร้อน

อย่างไรก็ตาม เป็นไปได้ว่าเนื่องจากความเฉื่อยทางความร้อน อุณหภูมิจะยังคงเพิ่มขึ้นต่อไปแม้หลังจากปิดเครื่อง ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว ตัวแยกจะละลายและทำให้ขั้วไฟฟ้าลัดวงจร ทำให้เกิดปฏิกิริยารุนแรงและทำให้เกิดความร้อน ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า “การล่มสลาย” หรือ “การพังทลาย” ของตัวคั่น ดังนั้น เพื่อความปลอดภัยของเซลล์ ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิ “การปิดระบบ” และ “การหลอมละลาย” ควรมีขนาดใหญ่ที่สุด

ตัวแยกที่ทำมาจากโพลีเอทิลีนความหนาแน่นสูงทั้งหมดจะหลอมละลายที่อุณหภูมิ 135 องศาเซลเซียส และสูญเสียความสมบูรณ์ทางกลเหนืออุณหภูมินี้ อย่างไรก็ตาม ตัวคั่นที่ทำโดยชั้นเคลือบของพอลิโพรพิลีนและโพลีเอทิลีนจะรักษาความสมบูรณ์ทางกลอย่างน้อยสูงถึง 165°C ซึ่งเป็นจุดหลอมเหลวของโพลีโพรพิลีน เป็นที่น่าสนใจที่จะสังเกตว่าแม้ว่าโพลีเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงเป็นพิเศษจะละลายที่ 135°C แต่ตัวแยกที่ทำจากวัสดุนี้ยังคงความสมบูรณ์ทางกลของมันไว้ได้อย่างน้อย 180°C เนื่องจากความหนืดของวัสดุนั้นช่วยรักษาความสมบูรณ์ทางกายภาพ

ตัวแยกการปิดระบบมีความน่าเชื่อถือ และผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกำลังเลือกใช้การรวมเข้ากับผลิตภัณฑ์ของตนมากขึ้น ตัวแยกการปิดระบบทั่วไปส่วนใหญ่มีพอลิโพรพิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงผสมกับโพลิเอทิลีนที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงมาก ในที่นี้ คุณสมบัติการปิดระบบที่เป็นเอกลักษณ์ของโพลิเอทิลีนถูกรวมเข้ากับความสมบูรณ์ทางกลสูงของโพลิโพรพิลีนที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากการปิดระบบไม่สามารถย้อนกลับได้ เมื่อเปิดใช้งาน ตัวแยกเหล่านี้จะปล่อยให้เซลล์เสียหายอย่างถาวร [PG Balakrishnan, R. Ramesh, T. Prem Kumar , J. แหล่งพลังงาน 155 (2549) 401–414]

วัสดุอื่นๆ ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

มีวัสดุอื่นๆ เช่น ตัวสะสมกระแสไฟฟ้า เช่น อะลูมิเนียม นิกเกิล และฟอยล์ทองแดง สารยึดเกาะเช่น s tyrene-butadiene copolymer (SBR) และ p olyvinylidene fluoride (PVDF) อิเล็กโทรไลต์และตัวทำละลาย สารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของแคโทด เครื่องแยก

ข้อดีและข้อจำกัดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน - การผลิตเซลล์ลิเธียมไอออน

อัตราส่วนน้ำหนักแอโนดต่อแคโทด

สิ่งสำคัญคือต้องไม่มีโลหะลิเธียมเกิดขึ้นระหว่างการทำงานของเซลล์ การสะสมของโลหะทำให้เกิดเดนไดรต์ที่ทำให้เซลล์สั้นภายใน การควบคุมแรงดันไฟฟ้าระหว่างการชาร์จและความสมดุลของเซลล์ช่วยลดปัญหานี้ได้อย่างมาก วิธีการหลักในการควบคุมการสะสมของลิเธียมคืออัตราส่วนของแอโนดต่อความจุแคโทดของเพลตแต่ละแผ่นในเซลล์ อิเล็กโทรด ขั้วบวก มีความสามารถใน การใช้งานได้สูงกว่าแคโทดประมาณ 10% ซึ่งจะช่วยป้องกันการสะสมของโลหะลิเธียมบนขั้วบวกระหว่างการชาร์จ เนื่องจากแคโทดจะกำหนดความจุของเซลล์ หากโลหะลิเธียมเกาะอยู่ที่พื้นผิวอิเล็กโทรด มันจะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์และสามารถเริ่มต้นการระบายความร้อนได้

Figure-xx-Anode-and-cathode-capacity-ratio-in-Li-ion-cell.jpg

รูปที่ 21. อัตราส่วนความจุแอโนดและแคโทดในเซลล์ลิเธียมไอออน

( เครดิต: Ralph J. Brodd และ Kazuo Tagawa, in Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, หน้า 272, 2002.)

กระบวนการประกอบเซลล์ลิเธียมไอออน

กระบวนการประกอบเซลล์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องการความแม่นยำและความถูกต้องเมื่อเคลือบสต็อกอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบที่เคลือบด้วยวัสดุที่ทำงานอยู่ กระบวนการเคลือบเป็นองค์ประกอบสำคัญในการรับรองผลิตภัณฑ์ที่มีความจุสูงและเชื่อถือได้สูง หากสารเคลือบมีคุณภาพต่ำ จะมีการผลิตเฉพาะแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพต่ำเท่านั้น ขั้นตอนแรกในการเตรียมมวลที่ใช้งานกำหนดผลลัพธ์

โคเฮนและกูทอฟฟ์ [E. Cohen and E. Gutoff, เทคโนโลยีการเคลือบและการอบแห้งสมัยใหม่, Wiley-VCH,

New York, 1992] อธิบายวิธีการเพื่อให้ได้เทคนิคการเคลือบผิวที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะ โดยพิจารณาจากการไหลของสารเคลือบ ความแม่นยำและความเร็วในการเคลือบที่ต้องการ

Figure-xx-Anode-and-cathode-coating-process.jpg

รูปที่ 22. กระบวนการเคลือบแอโนดและแคโทด

( เครดิต: Ralph J. Brodd และ Kazuo Tagawain ใน Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk และ Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, หน้า 273, 2002)

ผังงานสำหรับการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

Manufacturing-flowchart-of-lithium-ion-battery.jpg

รูปที่ 23. ผังงานสำหรับการผลิตเซลล์ลิเธียมไอออน

[Ralph J. Brodd และ Kazuo Tagawa ก้าวหน้าในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, Walter A. van Schalkwijk และ Bruno Scrosati (บรรณาธิการ), Kluwer Academic Publishers, New York, หน้า 271, 2002]

Figure-xx-Flow-chart-for-manufacture-of-electrodes-from-raw-materials.jpg

เครดิต: Electropaedia https: //www.mpoweruk.com/battery_manufacturing.htm

รูปที่ 24. ผังงานการผลิตอิเล็กโทรดจากวัตถุดิบ

การประกอบเซลล์ลิเธียมไอออน

Flowchart-for-cell-assembly.jpg
เครดิต: Electropaedia https://www.mpoweruk .com/battery_manufacturing.htm รูปที่ 25. ผังงานตั้งแต่การประกอบเซลล์ไปจนถึงการขนส่งเซลล์แบบแท่งปริซึมและทรงกระบอก
Figure-xx-Prismatic-Li-ion-cell-manufacture.jpg
Figure-xx-Cylindrical-Li-ion-cell-manufacture-–Part-2.jpg
Figure-xx-Cylindrical-Li-ion-cell-manufacture-–-Part-1.jpg

ผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมุ่งเป้าไปที่จุดต่อไปนี้ขณะประกอบเซลล์:

  • การออกแบบเซลล์ลิเธียมไอออนต้องส่งผลให้มีความหนาแน่นกระแสสม่ำเสมอทั่วทั้งบริเวณอิเล็กโทรด
  • เพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสที่ดีระหว่างวัสดุที่ใช้งาน (AM) และตัวสะสมปัจจุบัน
  • อิเล็กโทรดพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ถูกนำมาใช้เพื่อให้เซลล์มีประสิทธิภาพการทำงานที่สูง ซึ่งจะช่วยลดการโพลาไรซ์ กล่าวคือ การสูญเสียแรงดันไฟฟ้าอันเนื่องมาจากจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาอิเล็กโทรด และลดแรงดันตกคร่อมตัวคั่น

โครงสร้างรูพรุนและการรวมตัวของถ่านกัมมันต์เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าทำให้วัสดุออกฤทธิ์สัมผัสกันระหว่างอนุภาคได้ดี

การสัมผัสที่ดี เป็นสิ่งสำคัญระหว่าง วัสดุแอกทีฟ คาร์บอนนำไฟฟ้า และตัวสะสมกระแส สำหรับการใช้วัสดุแอคทีฟอย่างเต็มที่และเพื่อประสิทธิภาพที่ดีในช่วงที่มีสมรรถนะสูง

ส่วนผสมของโคบอลต์แคโทด เตรียมจาก LiCoO2 (ผงสีดำ) + สารยึดเกาะ PVdF (เทอร์โมพลาสติกฟลูออโรโพลีเมอร์กึ่งผลึกสีขาว) + N-methyl pyrrolidone (NMP ของเหลวอินทรีย์ไม่มีสี) เป็นตัวทำละลาย LICoO2 ที่ไม่นำไฟฟ้า สารเจือจางนำไฟฟ้า และคาร์บอนแบล็คอย่างสม่ำเสมอ ถูกเติมเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของ LiCoO2

อัตราส่วนและปริมาณของวัสดุถูกกำหนดโดยการออกแบบเซลล์และขนาดของเครื่องผสม ขั้นตอนการผสมแบบเข้มข้นจะใช้เพื่อทำให้แห้งผสมวัสดุแอคทีฟที่ไม่นำไฟฟ้าและคาร์บอนก่อนเติมตัวทำละลายเคลือบและสารยึดเกาะ

ส่วนผสมถูกผสมแบบแห้งเพื่อให้การเคลือบสม่ำเสมอของอนุภาคของวัสดุแอคทีฟด้วยฟิล์มบางของคาร์บอนนำไฟฟ้า เพื่อให้การติดต่อทางไฟฟ้าระหว่าง AM และกริดตัวสะสมกระแส (อลูมิเนียมฟอยล์ ความหนา 20 มม.) ได้รับการปรับปรุง จึงมั่นใจได้ว่ามีการใช้ระบบ AM ทั้งหมดอย่างเต็มที่ พอลิเมอร์ NMP ละลายในตัวทำละลายเคลือบในภาชนะแยกต่างหาก ส่วนผสมแบบแห้ง แล้วนำสารละลายตัวทำละลายมารวมกันเป็นสารละลาย

การเติมตัวทำละลายใช้เพื่อปรับความหนืดของสารละลาย (หรือสี) สำหรับการเคลือบ Polyvinylenedifluoride (PVdF) เป็นสารยึดเกาะที่เลือก ได้และ ตัวทำละลายคือ N-เมทิลไพโรลลิดิโนน (NMP) สารละลายจากการผสมจะถูกใส่ในภาชนะที่ปิดสนิท ซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บและสื่อการถ่ายโอนสำหรับการเคลือบ ปริมาณสารเคลือบในปริมาณที่แม่นยำจะถูกสูบจากภาชนะจัดเก็บด้วยปั๊มเฟืองหรือปั๊มที่มีความแม่นยำใกล้เคียงกัน เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้อากาศเข้าไปในของเหลวที่ไหลไปยังหัวเคลือบ

ส่วนผสมของแอโนด ถูกเตรียมในลักษณะเดียวกันกับฮาร์ดคาร์บอน สารยึดเกาะ PVdF และ NMP ส่วนผสมนี้เคลือบบนฟอยล์ทองแดงที่ใช้เป็นตะแกรง (ความหนา 10 มม.)

เคลือบทั้งสองด้านให้มีความหนาประมาณ 100 มม. สำหรับทั้งขั้วบวกและขั้วลบ โดยการลดความหนาของผิวเคลือบ พื้นที่ผิวทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามปริมาตรของเซลล์ที่แน่นอน อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่ใช้มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าเมื่อเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ ดังนั้นพื้นที่ผิวที่สูงขึ้นนี้จะช่วยให้เซลล์คายประจุไฟฟ้าสูง

ความหนาของอิเล็กโทรดขึ้นอยู่กับกำลังสูงสุดที่ต้องการ คุณลักษณะเฉพาะของเทคโนโลยีการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน คือช่วยให้ออกแบบอัตราส่วนพลังงาน/พลังงานได้หลากหลายด้วยเทคโนโลยีการผลิตอิเล็กโทรดเดียวกัน [Broussely, Nazri หน้า 651] แต่คอลเลกชันและแท็บปัจจุบันที่เหมาะสม รูปร่างของเซลล์และการออกแบบมีความสำคัญ

การประกอบเซลล์: ฟอยล์เคลือบผ่านเตาอบเพื่อระเหยตัวทำละลายและทิ้งมวลสารออกฤทธิ์ไว้บนฟอยล์อย่างแม่นยำ ตัวทำละลายเคลือบหลายชนิดจัดว่าเป็นอันตรายและไม่สามารถปล่อยสู่บรรยากาศได้ ตามมาตรการในการประหยัดต้นทุน โดยทั่วไปตัวทำละลายจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่ในกระบวนการ เพื่อหลีกเลี่ยงการปนเปื้อนของสิ่งแวดล้อม ตัวทำละลายอาจถูกเผา

เซลล์ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่มีรูปทรงกระบอก ม้วนเยลลี่ถูก ทำให้แบนเพื่อให้ได้องค์ประกอบสำหรับเซลล์ปริซึม

เซลล์ปริซึมเหมาะสำหรับการเติมปริมาตรที่ดีขึ้น แต่มีแนวโน้มที่จะโป่งขึ้นจากการหมุนเวียนหรืออายุมากขึ้น กระป๋องเซลล์ทรงกระบอกมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดีขึ้น ความเสถียรของมิติที่ดีและแรงดันสม่ำเสมอในองค์ประกอบ

การเคลือบทำให้เกิดการเคลือบแบบขัดจังหวะเพื่อให้ตรงกับความยาวของคอยล์ เครื่องม้วนได้รับการออกแบบให้ทำงานโดยอัตโนมัติสำหรับใช้กับแคโทดและขั้วบวกและตัวคั่นแบบแห้งจัมโบ้โรล (ความหนาไม่เกิน 25 มม. หรือน้อยกว่า ไม่ว่าจะเป็นแบบ PP หรือ PE หรือแบบผสม)

การดำเนินการเริ่มต้นด้วยการเชื่อมแท็บเข้ากับส่วนที่ไม่เคลือบของฟอยล์ จากนั้นเครื่องม้วนจะตัดแถบให้มีความยาวที่เหมาะสมและหมุนขั้วบวก-ตัวคั่น-แคโทดรวมกันเป็นขดหรือกระสวยที่แน่นในแบบเยลลี่โรล เมื่อแกนของแผลเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง เครื่องม้วนจะชดเชยโดยอัตโนมัติเพื่อรักษาความตึงคงที่ เนื่องจากขดลวดมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางเพิ่มขึ้นเพื่อให้ทนต่อเส้นผ่านศูนย์กลางอย่างใกล้ชิด ลมรูปไข่สำหรับเซลล์ปริซึมเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและช้ากว่า

หลังจากการม้วน ขดลวดจะถูกตรวจสอบสำหรับชอร์ตภายในก่อนที่จะใส่ลงในกระป๋อง กระป๋องเหล็กควรสะอาดและชุบนิกเกิลเพื่อให้มีพื้นผิวที่มั่นคงและลดการผุกร่อนก่อนการประกอบเซลล์ ตะกั่วแอโนดเชื่อมติดกับด้านล่างของกระป๋อง และเชื่อมตะกั่วแคโทดเข้ากับช่องระบายอากาศเพื่อความปลอดภัย อิเล็กโทรไลต์ถูกเติมลงในเซลล์ที่ประกอบขึ้นครึ่งหนึ่ง การประกอบเสร็จสิ้นด้วยการจีบของฝาครอบด้านบน

การปฏิเสธเซลล์ที่ผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นในระยะแรกเป็นมาตรการทางเศรษฐกิจและป้องกันการทำงานกับเซลล์ที่ไม่ดีมากขึ้น ใส่ไส้กระสวยลงในกระป๋องเพื่อให้แรงดันคงที่เพื่อยึดส่วนประกอบต่างๆ ขององค์ประกอบไว้ใกล้กัน จึงไม่มีโอกาสเกิดช่องว่างระหว่างกระสวย ผู้ผลิตบางรายอาจใส่แมนเดรลเพื่อทำให้ศูนย์กลางของขดลวดคงที่

เว้นแต่ดำเนินการทั้งหมดใน ห้องแห้งหรือกล่องแห้ง น้ำที่ดูดซับในวัสดุออกฤทธิ์จะต้องถูกกำจัดออกด้วยความร้อนและสุญญากาศก่อนกระบวนการเติมอิเล็กโทรไลต์

การเติมอิเล็กโทรไลต์แบบสุญญากาศที่แม่นยำนั้นทำขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าอิเล็กโทรไลต์ซึมซับและเติมรูพรุนที่มีอยู่ในโครงสร้างตัวแยกและอิเล็กโทรดให้สมบูรณ์ ปั๊มที่มีความแม่นยำจะวัดปริมาตรของอิเล็กโทรไลต์ที่คำนวณได้ซึ่งจำเป็นสำหรับการทำงานของเซลล์ที่ดี ผู้ผลิตทุกรายมักใช้ LiPF 6 (สารประกอบผลึกสีขาวอนินทรีย์) เป็นอิเล็กโทรไลต์และไซคลิก (EC, เอทิลีนคาร์บอเนต) หรือคาร์บอเนตเชิงเส้น (DMC, ไดเมทิลคาร์บอเนต, DEC, ไดเอทิลคาร์บอเนตหรือ EMC, เอทิล-เมทิลคาร์บอเนต เป็นต้น) ตัวทำละลายสำหรับเกลืออิเล็กโทรไลต์นี้

อิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายผสมของเอทิลีนคาร์บอเนต (EC) กับไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) และ/หรือไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC) มักใช้สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนร่วมกับแคโทด “4 V” (โคบอลต์ นิกเกิล และแมงกาเนต) เนื่องจาก ศักยภาพการเกิดออกซิเดชันสูงของตัวทำละลาย

หลังจากเติมเซลล์ด้วยอิเล็กโทรไลต์ เซลล์จะถูกปิดผนึกโดยการควบคุมการบีบอัดของปะเก็นโพลีเมอร์หรือวงแหวนที่วางไว้ระหว่างเซลล์กระป๋องและเพลทด้านบน ความดันบนซีลปะเก็นโพลีเมอร์ถูกควบคุมเพื่อให้อยู่ภายในขีดจำกัดความยืดหยุ่นของโพลีเมอร์ หากเกินขีดจำกัดความยืดหยุ่น โพลีเมอร์เย็นจะไหลและทำให้ซีลเสียหาย

ผู้ผลิตแต่ละรายใช้โครงสร้างทางกลที่แตกต่างกันบ้างเพื่อปิดผนึกเซลล์ แต่ผลลัพธ์สุดท้ายก็เหมือนกัน โดยปกติไหล่หรือหิ้งจะเกิดขึ้นใกล้กับส่วนบนของเซลล์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับซีลและยึดเยลลี่โรลให้เข้าที่ และป้องกันการเหลื่อมหรือเปลี่ยนตำแหน่งของกระสวยบาดแผลภายใต้อิทธิพลของการสั่นสะเทือนและการกระแทก

การเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งใด ๆ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในการกระจายปัจจุบันและส่งผลให้วงจรชีวิตไม่ดีหรือการชุบลิเธียมในเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูง ซีลเพลทด้านบนของเซลล์ประกอบด้วยช่องระบายอากาศ องค์ประกอบค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) และอุปกรณ์ความปลอดภัยกระแสไฟขัดจังหวะ (CID) ทั้ง CID และ PTC เป็นอุปกรณ์ความปลอดภัยที่ออกแบบมาเพื่อกระตุ้นและป้องกันอุณหภูมิและความดันที่เป็นอันตรายไม่ให้พัฒนาภายในเซลล์ อุปกรณ์แต่ละล็อตจะได้รับการตรวจสอบการทำงานที่เหมาะสมก่อนรวมเข้ากับส่วนประกอบด้านบน

หลังจากติดผนึกแล้ว เซลล์สามารถล้าง หุ้ม และติดฉลากได้ พวกเขาจะได้รับหมายเลขซีเรียลเพื่อติดตามวันที่ผลิตและเพื่อระบุส่วนประกอบของเซลล์ทั้งหมด (วัสดุอิเล็กโทรด อิเล็กโทรไลต์ ตัวแยก และอื่นๆ) ข้อมูลเกี่ยวกับความจุและแรงดันไฟฟ้าจะถูกเก็บไว้พร้อมกับหมายเลขเซลล์ และใช้ในภายหลังเพื่อจับคู่เซลล์สำหรับการประกอบบรรจุภัณฑ์

เซลล์สามารถเชื่อมด้วยเลเซอร์ด้วยซีลแก้วกับโลหะเพื่อให้ซีลผนึกแน่นหนายาวนาน สำหรับเซลล์ที่ใหญ่ขึ้น ต้องใช้ความระมัดระวังมากขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าการทำงานมีความปลอดภัย แม้ในสภาพการใช้งานที่ไม่เหมาะสม
แม้ว่ากระบวนการข้างต้นจะแสดงให้เห็นสำหรับเซลล์ปิดผนึกขนาดเล็กที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา กระบวนการสำหรับแบตเตอรี่อุตสาหกรรมขนาดใหญ่สำหรับการจัดเก็บพลังงาน พื้นที่ และการใช้งาน EV เป็นไปตามโครงร่างทั่วไปเดียวกัน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน - การก่อตัวและการเสื่อมสภาพ

เมื่อประกอบเข้าด้วยกัน ไอออน Li จะไม่ถูกเจือลงในคาร์บอนแอโนด ดังนั้นเซลล์จึงไม่แสดงแรงดันไฟฟ้า ในระหว่างการชาร์จครั้งแรก ส่วนหนึ่งของ Li ion จาก PAM LiCoO 2 จะถูกเลิกทำเป็น Li 1-x CoO 2 และลิเธียมไอออนเหล่านี้จะถูกเจือลงในคาร์บอนแอโนด (C y ) เพื่อให้กลายเป็น Li x C y เมื่อแรงดันการชาร์จถึง 4.1 ถึง 4.2 V ค่าของ x จะอยู่ที่ประมาณ 0.5 (เช่น 50% ) แสดงว่ามีการใช้ Li 50% จาก LiCoO 2 แล้ว

ข้อสังเกตอีกประการหนึ่งคือส่วนหนึ่งของลิเธียมไอออนที่เจือปนจะไม่กลับมาและยังคงอยู่ในขั้วบวก โดยที่ x-dx ลิเธียมไอออนจะอยู่โดยไม่ทำให้เกิดความจุ นี่คือลิเธียมที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ประมาณ 10 ถึง 20 % ซึ่งหมายความว่าประสิทธิภาพของการชาร์จเริ่มต้นคือ 80 ถึง 90 % จากรอบที่สอง ปริมาณที่เปลี่ยนกลับไม่ได้จะไม่เพิ่มขึ้น และเซลล์แสดงความจุ 100 % ที่ออกแบบโดยผู้ผลิต

หลังจากล้างและเคลือบ แต่ก่อนเริ่มกระบวนการก่อตัว แรงดันไฟฟ้าและอิมพีแดนซ์ของเซลล์ทั้งหมดจะถูกบันทึกเพื่อคัดแยกเซลล์ที่ชำรุด เซลล์จะถูกชาร์จเป็นครั้งแรก

(การชาร์จเริ่มต้นหรือการชาร์จแบบก่อตัว) เงื่อนไขของการเรียกเก็บเงินครั้งแรกมีความสำคัญด้วยเหตุผลอย่างน้อยสองประการ:

1) ชั้น โซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟส (SEI) ก่อ ตัวบนแอโนดเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปฏิกิริยาโดยธรรมชาติกับอิเล็กโทรไลต์ในระหว่างการทำงานของเซลล์ปกติ และ 2) สร้างการสัมผัสทางไฟฟ้าที่ดีระหว่างวัสดุแอคทีฟกับอิเล็กโทรไลต์ การชาร์จครั้งแรกเป็นไปตามขั้นตอนที่แนะนำของผู้ผลิตในการชาร์จเซลล์ แต่มักจะเริ่มต้นที่กระแสไฟที่ต่ำกว่า และจากนั้นจะเพิ่มเป็นกระแสการชาร์จปกติที่ประมาณหนึ่งในสามของระยะเวลาการชาร์จ เซลล์อาจหมุนเวียนต่อไปภายในขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสำหรับการชาร์จและการคายประจุเป็นเวลาหนึ่งหรือสองรอบหลังจากการก่อตัว

หลังจากการก่อตัวหรือการหมุนเวียน แรงดันและความจุของเซลล์จะถูกวัดและจัดเก็บเพื่อใช้ในภายหลังใน กระบวนการคัดเลือก เซลล์ ระยะเวลาการเสื่อมสภาพ จะแตกต่างกันไประหว่างสองสัปดาห์ถึงหนึ่งเดือน ขึ้นอยู่กับผู้ผลิต แรงดันไฟของเซลล์จะถูกวัดอีกครั้งหลังการจัดเก็บ ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าที่จุดเริ่มต้นและจุดสิ้นสุดของระยะเวลาการจัดเก็บจะใช้เพื่อจัดเรียงเซลล์ที่มีกางเกงขาสั้น “soft-” หรือ “micro-” เซลล์ที่มีชอร์ตภายในจะมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าหลังจากจัดเก็บ และแยกตัวเองออกจากแรงดันไฟฟ้าปกติและการกระจายความจุ อาจจำเป็นต้องอพยพเซลล์ที่ใหญ่ขึ้นหลังจากการก่อตัวเพื่อขจัดก๊าซที่ก่อตัวขึ้น

สำหรับคำอธิบายโดยละเอียดของกระบวนการประกอบ ผู้อ่านจะถูกอ้างถึง

  • Kaoru Nakajima และ Yoshio Nishi บทที่ 5 ใน: ระบบจัดเก็บพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์, Ed Tetsuya Osaka และ Madhav Datta, Gordon and Reach Science Publishers, Amsterdam, 2000
  • กระบวนการผลิตเซลล์ลิเธียมไอออน, Ralph J. Brodd และ Kazuo Tagawa, Chapter 9 in: Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk and Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, pp. 273, 2002 .
  • แบตเตอรี่ลิเธียม, วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, ed. โดย GA Nazri และ G. Pistoia, Springer, New York, 2009
  • แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Reiner Kortauer (ed) (2018) แปลโดย Michael Wuest et.al. Springer 2018
  • Kazuo Tagawa และ Ralph J. Brodd, กระบวนการผลิตสำหรับการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, Yoshio M., Brodd RJ, Kozawa A. (eds) Springer, New York, NY https: //doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4_8]
  • Zhang Z. , Ramadass P. (2012) ระบบและเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ใน: Meyers RA (ed) สารานุกรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีความยั่งยืน สปริงเกอร์, นิวยอร์ก https: //doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663
  • คู่มือการออกแบบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เคมี ส่วนประกอบ ประเภท และคำศัพท์ , John Warner, Elsevier, 2018

Please share if you liked this article!

Did you like this article? Any errors? Can you help us improve this article & add some points we missed?

Please email us at webmaster @ microtexindia. com

On Key

Hand picked articles for you!

เข้าร่วมจดหมายข่าวของเรา!

เข้าร่วมรายชื่อผู้รับจดหมายของเรา 8890 บุคคลที่น่าทึ่งซึ่งอยู่ในวงของการอัปเดตล่าสุดของเราเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่

อ่านนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราที่นี่ – เราสัญญาว่าเราจะไม่เปิดเผยอีเมลของคุณกับใคร & เราจะไม่สแปมคุณ คุณสามารถยกเลิกการสมัครได้ตลอดเวลา

Do you want a quick quotation for your battery?

Please share your email or mobile to reach you.

We promise to give you the price in a few minutes

(during IST working hours).

You can also speak with our VP of Sales, Balraj on +919902030022