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<x<-1): ใหม่
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!

Share on facebook
Share on twitter
Share on pinterest
Share on linkedin
Share on print
Share on email
Share on whatsapp

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