แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์กำลังเป็นผู้ชนะในการแข่งขันแบตเตอรี่โซลิดสเตทใช่หรือไม่?
| Jerry Huang
หมายเหตุจากบรรณาธิการ: แบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตทมีอิเล็กโทรไลต์อยู่ 4 ประเภท ได้แก่ โพลิเมอร์ ออกไซด์ ซัลไฟด์ และเฮไลด์ ซึ่งแต่ละประเภทมีคุณสมบัติเฉพาะตัว:
อิเล็กโทรไลต์ลิเธียมโพลิเมอร์
แบตเตอรี่ชนิดนี้ใช้วัสดุพอลิเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมีทั้งความยืดหยุ่นและการนำไฟฟ้าไอออนสูง ทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นทางเลือกชั่วคราวสำหรับแบตเตอรี่กึ่งแข็ง นอกจากนี้ยังขึ้นรูปได้ง่าย แต่ความเสถียรในการใช้งานระยะยาวนั้นยังต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม
อิเล็กโทรไลต์ลิเธียมออกไซด์
อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้ซึ่งผลิตจากวัสดุอย่างเช่นลิเธียมออกไซด์ มีต้นทุนต่ำและมีความเสถียรดี แต่มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนค่อนข้างต่ำ
อิเล็กโทรไลต์ลิเธียมซัลไฟด์
อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้ซึ่งมีส่วนประกอบหลักเป็นลิเธียมซัลไฟด์ มีคุณสมบัติเด่นคือ นำไฟฟ้าได้ดีที่อุณหภูมิห้อง และเข้ากันได้ดีกับพื้นผิว ทำให้เป็นเทคโนโลยีที่มีศักยภาพทางการค้ามากที่สุดในบรรดาเทคโนโลยีทั้งหมด อย่างไรก็ตาม วัสดุซัลไฟด์มีข้อเสียคือ เสถียรภาพทางเคมีต่ำ และต้นทุนการผลิตสูง
อิเล็กโทรไลต์ลิเธียมเฮไลด์
อิเล็กโทรไลต์ของแข็งประเภทเฮไลด์มีค่าการนำไฟฟ้าสูงและทนต่อการออกซิเดชัน แต่ยังคงอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการและยังไม่ชัดเจนถึงโอกาสในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์
คุณลักษณะทั่วไป
แบตเตอรี่โซลิดสเตท (ASS) ใช้สารผงอนินทรีย์แทนอิเล็กโทรไลต์เหลวแบบดั้งเดิม ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานอย่างมาก อย่างไรก็ตาม วิธีการทางเทคนิคที่แตกต่างกันนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านต้นทุนและความพร้อมของกระบวนการ ตัวอย่างเช่น วิธีการใช้ซัลไฟด์ให้การนำไฟฟ้าสูง แต่มีเสถียรภาพทางเคมีต่ำ ในขณะที่วิธีการใช้พอลิเมอร์ก็ประสบปัญหาในด้านอายุการใช้งาน ผู้เชี่ยวชาญบางคนกล่าวว่า การผลิตแบตเตอรี่ ASS ในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ในที่สุดจะต้องอาศัยโซลูชันจากอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ รวมถึงการตกตะกอนฟิล์มบาง การตรวจสอบความแม่นยำระดับสายการผลิต และระบบสุญญากาศ ตลอดจนโซลูชันอื่นๆ เช่น การสร้างโครงสร้างฟิล์มบางและระดับไมโครนาโน เชื่อกันว่ากระบวนการนี้จะใช้เวลาอีกเจ็ดถึงสิบปีจึงจะสำเร็จ
เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตทกำลังอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านที่สำคัญจากต้นแบบในห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งต้องการการปรับปรุงกรอบการประเมินอย่างเป็นระบบ ในระยะห้องปฏิบัติการจะเน้นที่ตัวชี้วัดประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าเป็นหลัก (เช่น ความหนาแน่นของพลังงาน อายุการใช้งาน และความสามารถในการจ่ายกระแส) ในขณะที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตทในระดับอุตสาหกรรมนั้นต้องการการกำหนดเกณฑ์การประเมินแบบหลายมิติ:
การประเมินที่ครอบคลุมมากขึ้น: การใช้งานในภาคอุตสาหกรรมต้องคำนึงถึงปัจจัยเชิงระบบ ได้แก่ ความสามารถในการขยายขนาดและความเป็นไปได้ (รวมถึงความเข้ากันได้ของกระบวนการ การควบคุมผลผลิต ฯลฯ) ความพร้อมของห่วงโซ่อุปทาน (รวมถึงการจัดหาวัตถุดิบที่สำคัญ การสนับสนุนอุปกรณ์เฉพาะทาง ฯลฯ) และต้นทุนตลอดวงจรชีวิตทั้งหมด (ครอบคลุมการจัดหาวัตถุดิบ การผลิต การรีไซเคิล ฯลฯ)
การเพิ่มประสิทธิภาพด้านเทคโนโลยีและต้นทุน: การพัฒนาอุตสาหกรรมต้องการความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างข้อมูลทางเทคนิคและต้นทุน รวมถึงความสมดุลแบบไดนามิกระหว่างประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าและต้นทุนการผลิต การเลือกวัสดุและความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทาน ความสมดุลระหว่างความซับซ้อนของกระบวนการผลิตและความสามารถในการขยายขนาด
การประเมินอย่างเป็นระบบ: การปฏิบัติตามข้อกำหนดหลัก ได้แก่ ความสม่ำเสมอในการผลิตจำนวนมาก (มาตรฐานการควบคุมคุณภาพ 6σ) การรับรองด้านความปลอดภัย (เช่น การปฏิบัติตามมาตรฐาน UL 9540A และมาตรฐานสากลอื่นๆ) และการออกแบบกำลังการผลิตของสายการผลิตเดียวที่มีกำลังการผลิต ≥2GWh เป็นต้น
ศาสตราจารย์กัวมีความเห็นที่แตกต่างออกไปเกี่ยวกับการที่โพลิเมอร์ลิเธียมจะได้รับชัยชนะในการแข่งขันแบตเตอรี่โซลิดสเตทเหนือกว่าอิเล็กโทรไลต์ลิเธียมซัลไฟด์ ลองมาดูงานวิจัยจากทีมของซิน กัวกัน ขอบคุณมากสำหรับความพยายามอย่างยิ่งยวดของนักวิจัยทุกท่าน
เชิงนามธรรม
แบตเตอรี่โซลิดสเตท (SSBs) มีศักยภาพที่จะปฏิวัติการจัดเก็บพลังงาน โดยนำเสนอความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม ในบรรดาอิเล็กโทรไลต์ของแข็งต่างๆ โพลิเมอร์โดดเด่นด้วยคุณสมบัติเฉพาะตัวที่ผสมผสานกันอย่างลงตัว ทั้งความสามารถในการแปรรูป ความยืดหยุ่นทางกล และความหลากหลายทางเคมี บทความนี้จะสำรวจว่าทำไมโพลิเมอร์จึงมีศักยภาพที่จะเป็นผู้นำในการพัฒนา SSBs เชิงพาณิชย์ ข้อดีโดยธรรมชาติของโพลิเมอร์ เช่น การสัมผัสกับอิเล็กโทรดที่ดีเยี่ยม การนำไฟฟ้าไอออนที่ปรับได้ และความเข้ากันได้กับวิธีการผลิตที่สามารถขยายขนาดได้ รวมถึงความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญที่โพลิเมอร์เผชิญ เช่น เสถียรภาพทางความร้อนที่จำกัด ช่วงทางเคมีไฟฟ้าที่แคบ และการเสื่อมสภาพของพื้นผิวสัมผัส จะได้รับการตรวจสอบในบทความนี้ งานวิจัยนี้เน้นย้ำถึงแนวทางแก้ไขที่เกิดขึ้นใหม่จากการวิจัยล่าสุด รวมถึงการออกแบบโมเลกุลของโพลิเมอร์ วัสดุคอมโพสิตโพลิเมอร์-เซรามิก และกลยุทธ์การพอลิเมอไรเซชันแบบในแหล่งกำเนิด ในทางตรงกันข้ามกับระบบออกไซด์และซัลไฟด์ ซึ่งเผชิญกับอุปสรรคสำคัญในด้านต้นทุน ความสามารถในการผลิต และการบูรณาการ อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้โพลิเมอร์เป็นพื้นฐานจึงเป็นเส้นทางที่สมจริงและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการใช้งานในวงกว้าง ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในการออกแบบวัสดุและกระบวนการทางอุตสาหกรรม โพลิเมอร์จึงไม่เพียงแต่มีความสามารถในการแข่งขันเท่านั้น แต่ยังเป็นผู้นำในการเปลี่ยนผ่านไปสู่แบตเตอรี่โซลิดสเตทเจเนอเรชั่นใหม่ด้วย
เอกสารอ้างอิง
https://doi.org/10.1002/advs.202510481