เผยโฉมวัสดุฮาไลด์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงราคาไม่แพงและมีอายุการใช้งานยาวนาน
| Jerry Huang
หมายเหตุบรรณาธิการ: ในสาขาการกักเก็บพลังงาน แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดถือเป็นโซลูชันที่ดีที่สุดของเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานยุคใหม่ แต่การพัฒนาแบตเตอรี่เหล่านี้กลับถูกจำกัดด้วยข้อจำกัดสำคัญในวัสดุอิเล็กโทรด แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดแบบดั้งเดิม (ASSB) มักประกอบด้วยอิเล็กโทรดที่ประกอบด้วยวัสดุแอคทีฟ อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง และสารเติมแต่งที่นำไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบที่ไม่แอคทีฟเหล่านี้ (ซึ่งคิดเป็น 40-50% ของปริมาตรอิเล็กโทรด) ไม่เพียงแต่ลดความหนาแน่นของพลังงานเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่ด้านข้างของส่วนต่อประสานและเพิ่มความซับซ้อนในการขนส่งลิเธียมไอออน แม้ว่าการออกแบบแบบ "All-In-One" (วัสดุที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและฤทธิ์ทางเคมีไฟฟ้าสูง) จะสามารถแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ แต่วัสดุที่มีอยู่เดิม เช่น ออกไซด์ (ความจุต่ำ) และซัลไฟด์ (ต้นทุนสูง) กลับไม่สามารถตอบสนองความต้องการสำหรับตลาดในอนาคตได้ แฮไลด์มีข้อได้เปรียบในด้านต้นทุนต่ำและการนำไฟฟ้าไอออนสูง แต่กลับมีปัญหาเรื่องการนำไฟฟ้าและความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่เพียงพอ ดังนั้น การพัฒนาวัสดุแบบครบวงจรที่ผสมผสานประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่สูง ความสามารถในการปรับขนาดได้ในราคาไม่แพง และความเสถียรเชิงกล จึงกลายเป็นความท้าทายที่สำคัญ
นี่คือตัวอย่างที่ยอดเยี่ยม ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเวสเทิร์นออนแทรีโอในแคนาดาได้นำเสนอคำตอบอันล้ำสมัยในการศึกษา Nature โดยพวกเขาได้ออกแบบวัสดุฮาไลด์ชนิดแรกของโลก คือ Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄ ซึ่งมีคุณสมบัติซ่อมแซมตัวเองแบบไดนามิกและการผสานรวมแบบสามในหนึ่งเดียว (แคโทด/อิเล็กโทรไลต์/ตัวนำ) ด้วยปฏิกิริยารีดอกซ์ Fe²⁺/Fe³⁺ แบบกลับด้านได้ และกลไกการเปลี่ยนผ่านจากเปราะเป็นเหนียวที่เป็นเอกลักษณ์ วัสดุนี้ยังคงรักษาความจุไว้ได้ 90% หลังจาก 3,000 รอบ ทำให้มีความหนาแน่นพลังงานของอิเล็กโทรดอยู่ที่ 529.3 Wh/kg⁻¹ (สามารถปรับเพิ่มเป็น 725.6 Wh/kg⁻¹ ด้วยการออกแบบแบบคอมโพสิต) ที่น่าทึ่งยิ่งกว่านั้นคือ ต้นทุนเพียง 26% ของอิเล็กโทรดทั่วไป รังสีซินโครตรอนประกอบกับการจำลองอะตอม เผยให้เห็นกลไกการซ่อมแซมตัวเองที่เกิดจากการเคลื่อนตัวของเหล็กเป็นครั้งแรก! งานวิจัยนี้ไม่เพียงแต่เปิดเผยวัสดุหลักสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดเท่านั้น แต่ยังนำเสนอกรณีศึกษาในระดับกระบวนทัศน์สำหรับการออกแบบแบบครบวงจรที่ผสานรวมวัสดุ กลศาสตร์ และเคมีไฟฟ้า ขอขอบคุณความพยายามอย่างยิ่งใหญ่ของนักวิจัยทุกท่าน
เชิงนามธรรม
แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดจำเป็นต้องมีการออกแบบแคโทดขั้นสูงเพื่อให้ตระหนักถึงศักยภาพด้านความหนาแน่นพลังงานสูงและความสามารถในการทำกำไร แคโทดแบบออลอินวันแบบบูรณาการ ซึ่งขจัดสารเติมแต่งตัวนำที่ไม่ใช้งานและส่วนต่อประสานที่ต่างชนิดกัน มีแนวโน้มที่จะเพิ่มพลังงานและความเสถียรอย่างมาก แต่ถูกขัดขวางโดยวัสดุที่ขาดคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของ Li+/e− ความทนทานเชิงกล และเสถียรภาพเชิงโครงสร้างที่เพียงพอ ในที่นี้ เราขอเสนอ Li1.3Fe1.2Cl4 ซึ่งเป็นวัสดุฮาไลด์ที่คุ้มค่าและเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ได้ Li1.3Fe1.2Cl4 ใช้ประโยชน์จากปฏิกิริยารีดอกซ์ Fe2+/Fe3+ แบบกลับคืนได้และการขนส่ง Li+/e− อย่างรวดเร็วภายในกรอบการทำงาน ทำให้มีความหนาแน่นพลังงานอิเล็กโทรดที่ 529.3 Wh/kg− เมื่อเทียบกับ Li+/Li ที่สำคัญ Li1.3Fe1.2Cl4 แสดงคุณสมบัติเชิงพลวัตที่เป็นเอกลักษณ์ระหว่างรอบวงจร รวมถึงการเคลื่อนตัวของ Fe เฉพาะจุดแบบกลับคืนได้และการเปลี่ยนผ่านจากเปราะไปเป็นเหนียว ซึ่งนำไปสู่พฤติกรรมการซ่อมแซมตัวเอง วิธีนี้ช่วยให้เกิดความเสถียรในการหมุนเวียนที่ยอดเยี่ยม โดยรักษาความจุไว้ได้ถึง 90% เป็นเวลา 3,000 รอบที่อัตรา 5 องศาเซลเซียส การผสมผสาน Li1.3Fe1.2Cl4 เข้ากับออกไซด์แบบชั้นที่อุดมด้วยนิกเกิล ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเป็น 725.6 วัตต์-ชั่วโมง (กก.) ด้วยการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติเชิงกลพลวัตและการแพร่กระจายอันเป็นประโยชน์ของฮาไลด์แบบออลอินวัน งานวิจัยนี้จึงสร้างฮาไลด์แบบออลอินวันให้เป็นเส้นทางสำหรับแคโทดที่มีความหนาแน่นของพลังงานและทนทานในแบตเตอรี่โซลิดสเตตแบบออลอินวันรุ่นใหม่
อ้างอิง
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1