ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพสองตัวของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน: ความหนาแน่นของพลังงานและอัตราการคายประจุ

วิเคราะห์ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพทั้งสองของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยสังเขป: ความหนาแน่นของพลังงานและอัตราการคายประจุ

ความหนาแน่นของพลังงานหมายถึงปริมาณพลังงานที่สามารถจัดเก็บได้ต่อหน่วยปริมาตร หรือน้ำหนัก แน่นอน ยิ่งดัชนีสูงยิ่งดี ทุกสิ่งที่เข้มข้นคือแก่นแท้ อัตราการประจุและคายประจุคือความเร็วของการจัดเก็บและปล่อยพลังงาน โดยควรเป็นหน่วยวินาที เต็มหรือปล่อยในทันทีและสามารถมาและไปได้ทันทีที่เรียก

แน่นอนว่าสิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นอุดมคติ และแท้จริงแล้ว สิ่งเหล่านี้ล้วนขึ้นอยู่กับปัจจัยเชิงปฏิบัติหลายประการ เป็นไปไม่ได้ที่เราจะได้พลังงานที่ไร้ขอบเขต และไม่ตระหนักถึงการถ่ายโอนพลังงานในทันที วิธีที่จะฝ่าฟันข้อจำกัดเหล่านี้อย่างต่อเนื่องและไปถึงระดับที่สูงขึ้นนั้นเป็นปัญหาที่ยากที่เราต้องแก้ไข

(A) ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

อาจกล่าวได้ว่าความหนาแน่นของพลังงานเป็นคอขวดที่ใหญ่ที่สุดที่จำกัดการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นโทรศัพท์มือถือหรือรถยนต์ไฟฟ้า ผู้คนคาดหวังว่าความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่จะไปถึงระดับใหม่ทั้งหมด เพื่อที่อายุการใช้งานแบตเตอรี่หรือระยะทางของผลิตภัณฑ์จะไม่เป็นปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดภัยพิบัติกับผลิตภัณฑ์อีกต่อไป

ตั้งแต่แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม แบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ ไปจนถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความหนาแน่นของพลังงานได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม ความเร็วในการปรับปรุงนั้นช้าเกินไปเมื่อเทียบกับความเร็วของการพัฒนาในระดับอุตสาหกรรมและระดับความต้องการพลังงานของมนุษย์ บางคนถึงกับพูดติดตลกว่าความก้าวหน้าของมนุษย์ติดอยู่ใน "แบตเตอรี่" แน่นอน หากวันหนึ่งสามารถส่งพลังงานได้ทั่วโลกแบบไร้สาย และสามารถรับพลังงาน "แบบไร้สาย" ได้ทุกที่ (เช่นสัญญาณโทรศัพท์มือถือ) มนุษย์จะไม่ต้องใช้แบตเตอรี่อีกต่อไป และการพัฒนาสังคมจะไม่ติดแบตเตอรี่โดยธรรมชาติ .

เพื่อตอบสนองต่อสภาพที่เป็นอยู่ซึ่งความหนาแน่นของพลังงานได้กลายเป็นคอขวด ประเทศต่างๆ ทั่วโลกได้กำหนดเป้าหมายนโยบายอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ที่เกี่ยวข้อง โดยหวังว่าจะเป็นผู้นำอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ให้บรรลุความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านความหนาแน่นของพลังงาน เป้าหมายปี 2020 ที่กำหนดโดยรัฐบาลหรือองค์กรอุตสาหกรรมในจีน สหรัฐอเมริกา และญี่ปุ่น โดยพื้นฐานแล้วชี้ไปที่ค่า 300Wh/kg ซึ่งเทียบเท่ากับการเพิ่มฐานในปัจจุบันเกือบสองเท่า เป้าหมายระยะยาวในปี 2030 คือการเข้าถึง 500Wh/kg หรือแม้แต่ 700Wh/kg อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ต้องมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในระบบเคมีเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่อความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในแง่ของระบบเคมีที่มีอยู่และโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มีข้อจำกัดที่ชัดเจนอย่างไร

เราได้วิเคราะห์ไปก่อนหน้านี้แล้วว่าสิ่งที่ทำหน้าที่เป็นตัวพาพลังงานไฟฟ้าจริง ๆ แล้วเป็นองค์ประกอบลิเธียมในแบตเตอรี่ และสารอื่นๆ เป็น "ของเสีย" แต่เพื่อให้ได้ตัวพาพลังงานไฟฟ้าที่เสถียร ยั่งยืน และปลอดภัย "ของเสีย" เหล่านี้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ . ตัวอย่างเช่น ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน สัดส่วนมวลของลิเธียมโดยทั่วไปจะมากกว่า 1% เล็กน้อย และ 99% ที่เหลือของส่วนประกอบคือสารอื่นๆ ที่ไม่ทำหน้าที่กักเก็บพลังงาน เอดิสันกล่าวอย่างมีชื่อเสียงว่าความสำเร็จคือเหงื่อออก 99% และพรสวรรค์ 1% ดูเหมือนว่าหลักการนี้จะใช้ได้ทุกที่ 1% คือดอกคำฝอย และ 99% ที่เหลือเป็นใบสีเขียว

ดังนั้น เพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน สิ่งแรกที่เรานึกถึงคือการเพิ่มสัดส่วนขององค์ประกอบลิเธียม และในขณะเดียวกันก็ปล่อยให้ลิเธียมไอออนจำนวนมากหมดจากอิเล็กโทรดบวก ย้ายไปยังอิเล็กโทรดลบ แล้วกลับจาก อิเล็กโทรดลบไปยังขั้วบวก (ไม่น้อยกว่า) วัฏจักรการขนส่งพลังงาน

1. เพิ่มสัดส่วนของสารออกฤทธิ์ในเชิงบวก

การเพิ่มสัดส่วนของวัสดุที่ใช้งานในเชิงบวกเป็นหลักเพื่อเพิ่มสัดส่วนขององค์ประกอบลิเธียม ในระบบเคมีของแบตเตอรี่เดียวกัน เนื้อหาขององค์ประกอบลิเธียมจะเพิ่มขึ้น (เงื่อนไขอื่นๆ ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง) และความหนาแน่นของพลังงานก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ดังนั้น ภายใต้ข้อจำกัดด้านปริมาณและน้ำหนัก เราหวังว่าจะมีวัสดุที่ออกฤทธิ์ในเชิงบวกมากขึ้น และอื่นๆ อีกมากมาย

2. เพิ่มสัดส่วนของสารออกฤทธิ์เชิงลบ

สิ่งนี้เป็นจริงเพื่อให้ตรงกับการเพิ่มขึ้นของวัสดุแอคทีฟเชิงบวก และจำเป็นต้องมีวัสดุแอคทีฟเชิงลบมากขึ้นเพื่อรองรับลิเธียมไอออนที่ลอยอยู่เหนือและเก็บพลังงาน หากวัสดุที่ใช้งานของอิเล็กโทรดลบไม่เพียงพอ ลิเธียมไอออนส่วนเกินจะถูกสะสมไว้บนพื้นผิวของอิเล็กโทรดลบแทนที่จะฝังอยู่ภายใน ส่งผลให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้และความจุของแบตเตอรี่ลดลง

3. ปรับปรุงความจุจำเพาะ (ความจุกรัม) ของวัสดุแคโทด

สัดส่วนของสารออกฤทธิ์เชิงบวกมีขีดจำกัดสูงสุดและไม่สามารถเพิ่มได้ไม่จำกัด เมื่อปริมาณรวมของสารออกฤทธิ์ที่เป็นบวกคงที่ เฉพาะไอออนลิเธียมไอออนเท่านั้นที่สามารถแยกส่วนออกจากอิเล็กโทรดบวกเพื่อเข้าร่วมในปฏิกิริยาเคมี เพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน ดังนั้นเราจึงหวังว่าอัตราส่วนมวลของลิเธียมไอออนที่สามารถดีอินเตอร์คาเลตที่สัมพันธ์กับวัสดุที่เป็นบวกจะสูงขึ้น กล่าวคือ ดัชนีความจุจำเพาะจะสูงขึ้น

นี่คือเหตุผลที่เราวิจัยและเลือกวัสดุแคโทดที่แตกต่างกัน ตั้งแต่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ไปจนถึงลิเธียมไอรอนฟอสเฟต ไปจนถึงวัสดุแบบไตรภาค ซึ่งทั้งหมดกำลังมุ่งสู่เป้าหมายนี้

ตามที่วิเคราะห์ก่อนหน้านี้ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์สามารถเข้าถึง 137mAh/g ค่าจริงของลิเธียมแมงกาเนตและลิเธียมเหล็กฟอสเฟตอยู่ที่ประมาณ 120mAh/g และนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสแบบไตรภาคสามารถเข้าถึง 180mAh/g หากเราต้องการปรับปรุงเพิ่มเติม เราจำเป็นต้องศึกษาวัสดุแคโทดใหม่ ๆ และทำให้ก้าวหน้าในเชิงอุตสาหกรรม

4. ปรับปรุงความจุจำเพาะของวัสดุแอโนด

ค่อนข้างพูด ความจุจำเพาะของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบไม่ใช่คอขวดหลักของความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่ถ้าความจุเฉพาะของอิเล็กโทรดลบได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม มัน หมายความว่าวัสดุอิเล็กโทรดลบที่มีมวลน้อยกว่าสามารถรองรับลิเธียมไอออนได้มากขึ้น จึงบรรลุเป้าหมายในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน

การใช้วัสดุคาร์บอนคล้ายกราไฟท์เป็นขั้วลบ ความจุเฉพาะตามทฤษฎีคือ 372mAh/g วัสดุฮาร์ดคาร์บอนและวัสดุนาโนคาร์บอนที่ศึกษาบนพื้นฐานนี้สามารถเพิ่มความจุจำเพาะเป็นมากกว่า 600mAh/g วัสดุแอโนดแบบดีบุกและซิลิกอนยังช่วยเพิ่มความจุเฉพาะของแอโนดให้อยู่ในระดับที่สูงมาก ซึ่งเป็นทิศทางที่ร้อนแรงของการวิจัยในปัจจุบัน

5. ลดน้ำหนัก

นอกจากวัสดุแอคทีฟของอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบแล้ว อิเล็กโทรไลต์ ตัวแยก สารยึดเกาะ สารนำไฟฟ้า ตัวสะสมกระแสไฟ พื้นผิว วัสดุเปลือก ฯลฯ เป็น "น้ำหนักที่ตายแล้ว" ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนของ น้ำหนักแบตเตอรี่ทั้งหมดประมาณ 40% หากน้ำหนักของวัสดุเหล่านี้สามารถลดลงได้โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ก็อาจปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้เช่นกัน

ในการสร้างความยุ่งยากในเรื่องนี้ จำเป็นต้องทำการวิจัยและวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลต์ ตัวแยก สารยึดเกาะ พื้นผิวและตัวสะสมกระแส วัสดุเปลือก กระบวนการผลิต ฯลฯ เพื่อหาแนวทางแก้ไขที่สมเหตุสมผล หากทุกด้านดีขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานโดยรวมของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง

จากการวิเคราะห์ข้างต้น จะเห็นได้ว่าการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นโครงการที่เป็นระบบ เราควรเริ่มจากการปรับปรุงกระบวนการผลิต ปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุที่มีอยู่ และพัฒนาวัสดุใหม่และระบบเคมีใหม่ และการแก้ปัญหาระยะยาว