เปิดตัววิธีการรีไซเคิล LCO และ Ternary LIB ที่มีประสิทธิภาพสูงและประหยัดสีเขียว

2023-09-16 | Jerry Huang

หมายเหตุบรรณาธิการ: ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท EV และการจัดเก็บพลังงานระดับกริด ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกยังคงเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ เป็นที่คาดกันว่าภายในปี 2573 ปริมาณแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้วทั่วโลกจะเกิน 11 ล้านตัน ซึ่งจะกลายเป็นแหล่งมลพิษขนาดใหญ่ที่อาจคุกคามสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของประชาชนอย่างร้ายแรง ในขณะเดียวกัน ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมและโคบอลต์เพิ่มมากขึ้น ในทางกลับกัน ปริมาณลิเธียมและโคบอลต์ในแคโทด LIB จะสูงถึง 15% และ 7% โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ซึ่งสูงกว่าปริมาณในแร่และน้ำเกลือมาก ดังนั้นการฟื้นตัวขององค์ประกอบโลหะในแคโทด LIB ที่ใช้แล้วจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งแวดล้อม สังคม และเศรษฐกิจ ปัจจุบันการกู้คืนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามขั้นตอน: การปรับสภาพ การสกัดโลหะ และการแยกโลหะ ในการวิจัยและพัฒนาขั้นตอนการสกัดโลหะของกระบวนการรีไซเคิล กระบวนการไฮโดรเมทัลโลหการเป็นหนึ่งในทางเลือกที่เป็นไปได้มากที่สุด เนื่องจากมีอัตราการชะล้างโลหะสูงและความบริสุทธิ์ที่น่าพอใจของผลิตภัณฑ์ที่นำกลับมาใช้ใหม่ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และไม่ประหยัดมากนัก เนื่องจากการใช้กรดอนินทรีย์ทำให้เกิดผลพลอยได้ที่เป็นอันตราย ในขณะที่กรดอินทรีย์ต้องการตัวรีดิวซ์เพิ่มเติมหรือเวลาในการทำปฏิกิริยานานขึ้น และอุณหภูมิที่สูงขึ้นสำหรับการนำโลหะกลับมาใช้ใหม่

นักวิจัยจากทีม Zhong Lin Wang นำเสนอวิธีการรีไซเคิล LIB ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีประสิทธิภาพสูง และประหยัด ซึ่งรวมถึงแบตเตอรี่ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) และแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาค

เชิงนามธรรม

ด้วยแนวโน้มทั่วโลกที่มีต่อความเป็นกลางของคาร์บอน ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) จึงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม วิธีการรีไซเคิลในปัจจุบันสำหรับ LIB ที่ใช้แล้วจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงอย่างเร่งด่วนในแง่ของความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ต้นทุน และประสิทธิภาพ ที่นี่เราเสนอวิธีการเร่งปฏิกิริยาด้วยกลไกซึ่งมีชื่อว่า contact-electro-catalysis โดยใช้อนุมูลที่เกิดจากการสัมผัสกระแสไฟฟ้าเพื่อส่งเสริมการชะล้างของโลหะภายใต้คลื่นอัลตราโซนิก นอกจากนี้เรายังใช้ SiO2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถรีไซเคิลได้ในกระบวนการนี้ สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมโคบอลต์ (III) ออกไซด์ ประสิทธิภาพการชะล้างสูงถึง 100% สำหรับลิเธียมและ 92.19% สำหรับโคบอลต์ที่ 90 °C ภายใน 6 ชั่วโมง สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาค ประสิทธิภาพการชะล้างของลิเธียม นิกเกิล แมงกานีส และโคบอลต์สูงถึง 94.56%, 96.62%, 96.54% และ 98.39% ที่ 70 °C ตามลำดับ ภายใน 6 ชั่วโมง เราคาดหวังว่าวิธีการนี้สามารถให้แนวทางที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีประสิทธิภาพสูง และประหยัดสำหรับการรีไซเคิล LIB ซึ่งตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณสำหรับการผลิต LIB

อ้างอิง

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y

เปิดตัววิธีการรีไซเคิลแบตเตอรี่ LFP ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประหยัดอย่างมีประสิทธิภาพ

2023-09-16 | Jerry Huang

หมายเหตุบรรณาธิการ: ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท EV และการจัดเก็บพลังงานระดับกริด ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกยังคงเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ เป็นที่คาดกันว่าภายในปี 2573 ปริมาณแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้วทั่วโลกจะเกิน 11 ล้านตัน ซึ่งจะกลายเป็นแหล่งมลพิษขนาดใหญ่ที่อาจคุกคามสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของประชาชนอย่างร้ายแรง ในขณะเดียวกัน ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เพิ่มขึ้นส่งผลให้ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมและโคบอลต์เพิ่มมากขึ้น ในทางกลับกัน ปริมาณลิเธียมและโคบอลต์ในแคโทด LIB จะสูงถึง 15% และ 7% โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ซึ่งสูงกว่าปริมาณในแร่และน้ำเกลือมาก ดังนั้นการฟื้นตัวขององค์ประกอบโลหะในแคโทด LIB ที่ใช้แล้วจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อสิ่งแวดล้อม สังคม และเศรษฐกิจ ปัจจุบันการกู้คืนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามขั้นตอน: การปรับสภาพ การสกัดโลหะ และการแยกโลหะ ในการวิจัยและพัฒนาขั้นตอนการสกัดโลหะของกระบวนการรีไซเคิล กระบวนการไฮโดรเมทัลโลหการเป็นหนึ่งในทางเลือกที่เป็นไปได้มากที่สุด เนื่องจากมีอัตราการชะล้างโลหะที่สูงและผลิตภัณฑ์ที่นำกลับมาใช้ใหม่มีความบริสุทธิ์ที่น่าพอใจ อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และไม่ประหยัดมากนัก เนื่องจากการใช้กรดอนินทรีย์ทำให้เกิดผลพลอยได้ที่เป็นอันตราย ในขณะที่กรดอินทรีย์ต้องการตัวรีดิวซ์เพิ่มเติมหรือเวลาในการทำปฏิกิริยานานขึ้น และอุณหภูมิที่สูงขึ้นสำหรับการนำโลหะกลับมาใช้ใหม่

นักวิจัยจากทีม Zhong Lin Wang ได้นำเสนอวิธีการที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม มีประสิทธิภาพสูง และประหยัดสำหรับการรีไซเคิล LIB โดยเฉพาะแบตเตอรี่ LFP

เชิงนามธรรม

การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 32% ของส่วนแบ่งตลาดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIB) ทั่วโลก ได้เพิ่มความสนใจเนื่องจากทรัพยากรองค์ประกอบที่มีคุณค่าและความกังวลด้านสิ่งแวดล้อม อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการรีไซเคิลที่ล้ำสมัยซึ่งโดยทั่วไปจะขึ้นอยู่กับวิธีการชะล้างเคมีไฟฟ้าหรือเคมี มีปัญหาที่สำคัญ เช่น ขั้นตอนที่น่าเบื่อ การใช้สารเคมี/ไฟฟ้าจำนวนมหาศาล และมลภาวะทุติยภูมิ ที่นี่ เรารายงานระบบขับเคลื่อนด้วยตนเองที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์รีไซเคิล LIB แบบไฟฟ้าเคมี และเครื่องกำเนิดนาโนไทรโบอิเล็กทริก (TENG) สำหรับการรีไซเคิล LFP ที่ใช้แล้ว ในเครื่องปฏิกรณ์รีไซเคิล LIB ไฟฟ้าเคมี คู่ Cl−/ClO− ที่สร้างขึ้นทางไฟฟ้าเคมีในสารละลาย NaCl ถูกนำมาใช้เป็นตัวกลางรีดอกซ์เพื่อแยก LFP ออกเป็น FePO4 และ Li + ผ่านปฏิกิริยาการกำหนดเป้าหมายรีดอกซ์โดยไม่ต้องใช้สารเคมีเพิ่มเติม นอกจากนี้ TENG ที่ใช้ส่วนประกอบที่ถูกทิ้งจาก LIB รวมถึงเคส ฟิล์มอะลูมิเนียม-พลาสติก และตัวสะสมกระแสไฟฟ้า ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดมลพิษทุติยภูมิลงอย่างมาก นอกจากนี้ TENG ยังเก็บเกี่ยวพลังงานลม โดยให้กำลังไฟฟ้า 0.21 W สำหรับจ่ายพลังงานให้กับระบบรีไซเคิลเคมีไฟฟ้าและชาร์จแบตเตอรี่ ดังนั้น ระบบที่นำเสนอสำหรับการรีไซเคิล LFP ที่ใช้แล้วจึงมีความบริสุทธิ์สูง (Li2CO3, 99.70% และ FePO4, 99.75%) คุณสมบัติที่ขับเคลื่อนด้วยตนเอง ขั้นตอนการบำบัดที่ง่ายขึ้น และผลกำไรสูง ซึ่งสามารถส่งเสริมความยั่งยืนของเทคโนโลยี LIB

อ้างอิง

http://dx.doi.org/10.1039/D3EE01156A

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จเร็ว 50C โดยใช้แกรไฟต์แอโนด

2022-11-01 |

เชิงนามธรรม

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รุกเข้าสู่ตลาดรถยนต์ไฟฟ้าด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูง แต่ยังคงประสบปัญหาจลนพลศาสตร์ที่ช้าซึ่งจำกัดโดยขั้วบวกกราไฟท์ ที่นี่ อิเล็กโทรไลต์ที่เปิดใช้งานการชาร์จอย่างรวดเร็วสุดขีด (XFC) ของแอโนดกราไฟท์ขนาดเล็กโดยไม่ต้องชุบ Li ได้รับการออกแบบ การแสดงลักษณะเฉพาะและการจำลองที่ครอบคลุมเกี่ยวกับการแพร่กระจายของ Li+ ในอิเล็กโทรไลต์จำนวนมาก กระบวนการถ่ายโอนประจุ และโซลิดอิเล็กโทรไลต์อินเตอร์เฟส (SEI) แสดงให้เห็นว่าการนำไอออนสูง พลังงานการละลายต่ำของ Li+ และ SEI การป้องกันเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับ XFC ตามเกณฑ์นี้ อิเล็กโทรไลต์ที่ชาร์จเร็วสองตัวได้รับการออกแบบ: LiFSI แรงดันต่ำ 1.8 ม. ใน 1,3-ไดออกโซเลน (สำหรับ LiFePO4|| เซลล์กราไฟต์) และ LiPF6 แรงดันสูง 1.0 ม. ในส่วนผสมของ 4-ฟลูออโรเอทิลีนคาร์บอเนตและอะซิโตไนไตรล์ (7:3 โดยปริมาตร) (สำหรับ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||เซลล์กราไฟท์) อิเล็กโทรไลต์แบบเดิมช่วยให้อิเล็กโทรดกราไฟท์มีอุณหภูมิ 180 mAh g-1 ที่ 50C (1C = 370 mAh g-1) ซึ่งสูงกว่าอิเล็กโทรไลต์ทั่วไปถึง 10 เท่า อิเล็กโทรไลต์หลังทำให้ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||เซลล์กราไฟท์ (2 mAh cm−2, อัตราส่วน N/P = 1) ให้ความจุแบบย้อนกลับได้ทำลายสถิติที่ 170 mAh g-1 ที่การชาร์จ 4C และการคายประจุ 0.3C . งานนี้เผยให้เห็นกลไกสำคัญสำหรับ XFC และให้หลักการออกแบบอิเล็กโทรไลต์ที่ให้คำแนะนำสำหรับ LIB ที่ชาร์จอย่างรวดเร็วในทางปฏิบัติด้วยแกรไฟต์แอโนด

อ้างอิง

1. https://doi.org/10.1002/adma.202206020

แบตเตอรี่ Li-ion ความหนาแน่นสูงพลังงานสูงที่มีรายงานว่าราคาถูกและปราศจากโลหะ

2022-07-10 | Jerry Huang

หมายเหตุบรรณาธิการ: นักวิจัยรายงานความก้าวหน้าทางไฟฟ้าเคมีที่มีความหนาแน่นสูงพลังงานสูงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ประหยัดและปราศจากโลหะ (เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนออร์แกนิก 4 V-class นี้มีความจุตามทฤษฎีสูงและแรงดันสูง ในขณะที่วัสดุแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้งานได้จริงยังคงไม่มีใครสำรวจ

โมเลกุลขนาดเล็กอินทรีย์รีดอกซ์แอคทีฟใช้ได้กับแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแรงดันสูง (>4 V) หรือไม่

โดย: Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Kazuyuki Iwase, Yoshiyuki Gambe, Itaru Honma | เผยแพร่ครั้งแรก: 10 มีนาคม 2022 บน Advanced Science

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอินทรีย์ V-Class จำนวน 4 ก้อน

ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอินทรีย์ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีความจุตามทฤษฎีสูง แต่วัสดุแคโทดอินทรีย์ที่มีแรงดันสูงยังคงไม่ได้สำรวจ ในบทความหมายเลข 2200187 Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma และเพื่อนร่วมงานรายงานเคมีไฟฟ้าของกรด croconic ที่ไฟฟ้าแรงสูง การตรวจสอบทางทฤษฎีและการทดลองยืนยันว่า enolates ทั้งสองชนิดในกรด croconic แสดงค่ารีดอกซ์ 4 V ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการจัดเก็บพลังงานได้

เชิงนามธรรม

ในขณะที่แบตเตอรี่ออร์แกนิกได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีความจุตามทฤษฎีสูง แต่วัสดุแอคทีฟอินทรีย์แรงดันสูง (> 4 V เทียบกับ Li/Li+) ก็ยังคงไม่ถูกสำรวจ ในที่นี้ การคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นจะรวมกับการวัดโวลต์แทมเมทรีแบบวนรอบเพื่อตรวจสอบเคมีไฟฟ้าของกรดโครโคนิก (CA) เพื่อใช้เป็นวัสดุแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในอิเล็กโทรไลต์ไดเมทิลซัลฟอกไซด์และ γ-บิวทิโรแลคโตน (GBL) การคำนวณ DFT แสดงให้เห็นว่าเกลือ CA dilitium (CA–Li2) มีกลุ่มอีโนเลตสองกลุ่มที่ได้รับปฏิกิริยารีดอกซ์ที่สูงกว่า 4.0 V และความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีระดับวัสดุที่ 1949 Wh kg-1 สำหรับเก็บลิเธียมไอออนสี่ตัวใน GBL—เกินค่าของทั้งสอง วัสดุแคโทดอินทรีย์ทั่วไปและที่รู้จัก การวัดแบบ Cyclic-voltammetry เผยให้เห็นปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ย้อนกลับได้สูงโดยกลุ่มอีโนเลตที่ ≈4 V ในอิเล็กโทรไลต์ทั้งสอง การทดสอบประสิทธิภาพแบตเตอรี่ของ CA เป็นแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใน GBL แสดงแรงดันไฟฟ้าคายประจุ 2 ระดับที่ 3.9 และ 3.1 V และความสามารถในการคายประจุ 102.2 mAh g-1 โดยไม่มีการสูญเสียความจุหลังจากห้ารอบ ด้วยแรงดันไฟฟ้าในการคายประจุที่สูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับโมเลกุลขนาดเล็กอินทรีย์ที่เป็นที่รู้จักและล้ำสมัย CA สัญญาว่าจะเป็นผู้สมัครวัสดุแคโทดที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอินทรีย์ความหนาแน่นสูงในอนาคต

ข้อมูลอ้างอิง:

1. https://doi.org/10.1002/advs.202200187

เปิดเผยเทคโนโลยีล้ำสมัยของ LFP อุณหภูมิต่ำ

2022-04-19 | Jerry Huang

เมื่อวันที่ 15 เมษายน ทีมงาน R&D จาก Changzhou Liyuan New Energy Co ได้ประกาศในเมืองหนานจิงว่าบริษัทได้ทำความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเกี่ยวกับวัสดุแคโทด LFP ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของ LFP รวมทั้งอัตราการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำอย่างมีนัยสำคัญ

EV ที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ LFP แบบเดิมมีข้อเสียที่ชัดเจนของความวิตกกังวลเกี่ยวกับช่วง นั่นคือ ระยะของมันมักจะอยู่ที่ประมาณ 50% ของช่วง NEDC / WLTP / EPA ที่อ้างสิทธิ์ที่อุณหภูมิต่ำเช่น -20 ℃

วัสดุ LFP ใหม่ "LFP-1" อ้างว่าได้รับการพัฒนาโดยผู้เชี่ยวชาญด้าน R&D มากกว่า 20 คนจากศูนย์วิจัยเซินเจิ้น หลังจากทำการทดลองซ้ำมากกว่า 2,000 ครั้งในแปดปี และทีม R&D ได้รับรางวัล 5 สิทธิบัตรด้วย

การแสดงที่ก้าวล้ำของ “LFP-1” ได้รับการรายงานว่าทำได้โดยการสร้างช่องทางการขนส่งลิเธียมไอออนความเร็วสูงภายในวัสดุแคโทดร่วมกับเทคโนโลยี “ทรงกลมพลังงาน” อันล้ำสมัย และคุณสมบัติของวัสดุ:

• เพิ่มอัตราการคายประจุของแบตเตอรี่ LFP จาก 55% เป็น 85% ที่ -20℃ องศา และจากเกือบศูนย์เป็น 57% ที่ -40℃ องศา

• บรรลุช่วง 500 กิโลเมตรในเวลาเพียง 15 นาที ' 4C อัตราการชาร์จอย่างรวดเร็ว ในการเปรียบเทียบ EV ที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ LFP ทั่วไปมักต้องการการชาร์จอย่างรวดเร็ว 40 นาทีเพื่อให้ได้ระยะทางประมาณ 550 กิโลเมตร

โซเดียมจะเป็นทางออกต่อไปหรือไม่?

2022-04-08 | Jerry Huang

ในปี 2020 ผู้ที่มีส่วนเกี่ยวข้องในตลาด EV ต่างคาดเดากันอย่างตื่นเต้นว่าการลดต้นทุนของแบตเตอรี่ที่ใช้พลังงานลิเธียมจะทำให้ยอดขาย EV ทั่วโลกเติบโตอย่างรวดเร็ว และเป็นเช่นนั้นจริงๆ

เมื่อพูดถึงไตรมาสแรกของปี 2022 พวกเราส่วนใหญ่ยังไม่พร้อมที่จะพบกับ "March Madness" นาย Jow Lowry จาก Global Lithium LLC กล่าวเกี่ยวกับราคาลิเธียมคาร์บอเนตและลิเธียมไฮดรอกไซด์ที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในเดือนกุมภาพันธ์และต้นเดือนกุมภาพันธ์ มีนาคม. อย่างไรก็ตาม เขารู้สึกว่าราคาลิเธียมที่สูงจะไม่ทำลายอุปสงค์จากตลาด EV “เรามีราคาลิเธียมสูงเพราะขาดการลงทุนที่สร้างความไม่สมดุลระหว่างอุปสงค์และอุปทาน ฉันไม่เชื่อว่าสิ่งนี้จะทำลายความต้องการ ฉันเชื่อว่ามันถูกใส่อย่างถูกต้องมากขึ้นก็จะส่งต่อความต้องการ การปฏิวัติ EV จะถูก จำกัด ในทศวรรษนี้เนื่องจากขาดลิเธียม ตอนนี้ไม่มีคำถามเกี่ยวกับเรื่องนี้แล้ว” มิสเตอร์โจว์ โลว์รีกล่าว

แม้ว่าราคาลิเธียมจะสูงเป็นประวัติการณ์ แต่วัสดุแบตเตอรี่อื่น ๆ มากมาย เช่น นิกเกิล โคบอลต์ และอะลูมิเนียม ก็ยังต้องเผชิญกับคลื่นประวัติศาสตร์ของราคาที่เพิ่มขึ้นในไตรมาสที่ 1 ของปีนี้ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และการประกาศ EV ของ OEM มากกว่า 20 ราย การขึ้นราคาในเดือนมีนาคม 2565

แบตเตอรี่ลิเธียมกำลังมุ่งหน้าไปที่ไหน? ผู้เชี่ยวชาญบางคนกล่าวว่าแบตเตอรีลิเธียมจะนำไปใช้กับ EV ระดับกลางและระดับสูง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ยานพาหนะไฟฟ้าสำหรับการเดินเรือ และยานพาหนะทางอากาศ ฯลฯ

สิ่งที่เกี่ยวกับระดับเริ่มต้นของ EV และการจัดเก็บพลังงาน? แบตเตอรี่โซเดียมเคมีจะเป็นอีกทางเลือกหนึ่งสำหรับพวกเขาหรือไม่? มีโซเดียมและทรัพยากรอื่นๆ มากมายในโลกสำหรับแบตเตอรี่โซเดียม ซึ่งเชื่อกันว่าประหยัดและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม มีวิธีแก้ไขปัญหาแบตเตอรี่อื่น ๆ ที่สามารถปรับขนาดได้สูงหรือไม่? มารอดูกันว่างานวิจัยชิ้นใหม่จะออกมาเป็นอย่างไรต่อไป

การแข่งขันเคมีของเซลล์: ระบบลิเธียมกับโซเดียม

2021-12-08 | Jerry Huang

การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ (Li/S ₈ ) และลิเธียม-ออกซิเจน (Li/O ₂ ) ที่อุณหภูมิห้องเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงสิบปีที่ผ่านมา การแข่งขันเพื่อพัฒนาระบบเซลล์ดังกล่าวมีแรงจูงใจหลักจากความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีที่สูงมาก และความอุดมสมบูรณ์ของกำมะถันและออกซิเจน อย่างไรก็ตาม เคมีของเซลล์มีความซับซ้อน และความก้าวหน้าไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงยังคงถูกขัดขวางโดยประเด็นสำคัญพื้นฐานบางประการ ซึ่งขณะนี้กำลังได้รับการแก้ไขด้วยวิธีการต่างๆ มากมาย

ค่อนข้างน่าประหลาดใจที่ไม่ค่อยมีใครรู้จักเกี่ยวกับระบบแบตเตอรี่แบบโซเดียมที่คล้ายคลึงกัน แม้ว่าแบตเตอรี่ Na/S ₈ และ Na/NiCl ₂ ที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งมีการค้าขายอยู่แล้วและแนะนำว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ซึ่งใช้โซเดียมนั้นมีความเป็นไปได้ในขนาดใหญ่ นอกจากนี้ โซเดียมที่มีอยู่อย่างมากมายยังมีประโยชน์ที่น่าสนใจสำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่โดยใช้ส่วนประกอบที่มีต้นทุนต่ำ

การทบทวนนี้ให้ข้อมูลสรุปความรู้ล้ำสมัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์และลิเธียม-ออกซิเจน และการเปรียบเทียบโดยตรงกับระบบโซเดียมที่คล้ายคลึงกัน คุณสมบัติทั่วไป ประโยชน์และความท้าทายที่สำคัญ กลยุทธ์ล่าสุดสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพ และแนวทางทั่วไปสำหรับการพัฒนาต่อไปได้สรุปและอภิปรายอย่างมีวิจารณญาณ โดยทั่วไป การแทนที่ลิเธียมสำหรับโซเดียมมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติโดยรวมของปฏิกิริยาของเซลล์ และความแตกต่างในการขนส่งไอออน ความคงตัวของเฟส ศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรด ความหนาแน่นของพลังงาน ฯลฯ จึงสามารถคาดหวังได้

ความแตกต่างเหล่านี้จะเป็นประโยชน์ต่อคุณสมบัติทางเคมีของเซลล์แบบย้อนกลับได้หรือไม่ยังคงเป็นคำถามเปิดอยู่ แต่รายงานแรกๆ เกี่ยวกับ _{เซลล์ Na/S 8} และ Na/O ₂ อุณหภูมิห้องแสดงความแตกต่างที่น่าตื่นเต้นเมื่อเปรียบเทียบกับ Li/S ₈ และ หลี่ / O ₂ ระบบ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้ (LIB) ได้กลายเป็นรูปแบบการจัดเก็บพลังงานที่สำคัญที่สุดอย่างรวดเร็วสำหรับแอปพลิเคชันมือถือทั้งหมด นับตั้งแต่มีการนำออกใช้เชิงพาณิชย์ในต้นปี 1990 สาเหตุหลักมาจากความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่มีใครเทียบได้ ซึ่งเหนือกว่าระบบแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้อื่นๆ เช่น เมทัล-ไฮไดรด์หรือกรดตะกั่ว-กรด อย่างไรก็ตาม ความจำเป็นอย่างต่อเนื่องในการจัดเก็บไฟฟ้าให้ปลอดภัยยิ่งขึ้น กระทัดรัดยิ่งขึ้น และมีราคาจับต้องได้ จำเป็นต้องมีการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง

ความจำเป็นในการจัดเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ในราคาไม่แพงได้กลายเป็นความท้าทายเพิ่มเติม ซึ่งทำให้เกิดการวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ทางเลือก ความพยายามหลักมุ่งไปสู่การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยี Li-ion ต่างๆ โดยการบรรจุที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น การแปรรูป อิเล็กโทรไลต์ที่ดีขึ้น และวัสดุอิเล็กโทรดที่ปรับให้เหมาะสม เป็นต้น แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าอย่างมีนัยสำคัญในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น (เชิงปริมาตรและกราวิเมตริก) นั้นค่อนข้างเล็ก การเปรียบเทียบเทคโนโลยีแบตเตอรี่ต่างๆ เกี่ยวกับความหนาแน่นของพลังงานแสดงไว้ในรูปที่ 1

รูปที่ 1: ความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีและ (โดยประมาณ) ในทางปฏิบัติของแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ต่างๆ: Pb–acid – lead acid, NiMH – nickel metal hydride, Na-ion – ค่าประมาณที่ได้มาจากข้อมูลของ Li-ion โดยสมมติว่ามีแรงดันเซลล์ที่ต่ำกว่าเล็กน้อย Li- ไอออน – เฉลี่ยเหนือประเภทที่แตกต่างกัน HT-Na/S ₈ – แบตเตอรี่โซเดียม–กำมะถันอุณหภูมิสูง, Li/S ₈ และ Na/S ₈ – แบตเตอรี่ลิเธียม–ซัลเฟอร์และโซเดียม–กำมะถัน โดยถือว่า Li ₂ S และ Na2S เป็นผลิตภัณฑ์การปลดปล่อย, Li /O ₂ และ Na/O ₂ – แบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจน (ค่าทางทฤษฎีรวมถึงน้ำหนักของออกซิเจนและขึ้นอยู่กับปริมาณสัมพันธ์ของผลิตภัณฑ์ที่มีการปลดปล่อยออกมา เช่น ออกไซด์ เปอร์ออกไซด์ หรือซูเปอร์ออกไซด์) โปรดทราบว่าค่าความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้งานได้จริงอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบแบตเตอรี่ (ขนาด กำลังสูง พลังงานสูง เซลล์เดียว หรือแบตเตอรี่) และสถานะของการพัฒนา ค่าความหนาแน่นของพลังงานที่ใช้ได้จริงทั้งหมดอ้างอิงถึงระดับเซลล์ (ยกเว้น Pb–acid, 12 V) ค่าของแบตเตอรี่ Li/S ₈ และ Li/O ₂ ถูกนำมาจากเอกสาร (อ้างถึงในข้อความหลัก) และใช้เพื่อประเมินความหนาแน่นของพลังงานสำหรับเซลล์ _{Na/S 8} และ Na/O ₂ จากเทคโนโลยีข้างต้น มีเพียงเทคโนโลยีตะกั่วกรด NiMH, Li-ion และ Na/S _{8 ที่} มีอุณหภูมิสูงเท่านั้นที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์จนถึงปัจจุบัน

ข้อมูลอ้างอิง:

1. https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/6/105

Lithium Tetrafluoroborate (LiBF4) เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ Li-ion

2021-12-05 | Jerry Huang

Lithium tetrafluoroborate (LiBF ₄ ) ใช้เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการปั่นจักรยานของ LiNi _0.5 Co _0.2 Mn _0.3 O ₂ / เซลล์กราไฟท์ (NMC532) ที่แรงดันไฟฟ้าในการทำงานที่สูงขึ้น

ด้วยการเพิ่ม LiBF4 1.0 wt% ลงในอิเล็กโทรไลต์ การเก็บรักษาความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลังจาก 100 รอบได้รับการปรับปรุงอย่างมากจาก 29.2% เป็น 90.1% ในแรงดันไฟฟ้า 3.0 V–4.5 V เพื่อให้เข้าใจกลไกของการปรับปรุงการกักเก็บความจุที่ระดับสูง การทำงานของแรงดันไฟฟ้า คุณสมบัติรวมถึงประสิทธิภาพของเซลล์ พฤติกรรมอิมพีแดนซ์ ตลอดจนคุณสมบัติของคุณสมบัติอินเทอร์เฟซของอิเล็กโทรดจะถูกตรวจสอบ

พบว่า LiBF4 มีแนวโน้มที่จะมีส่วนร่วมในการก่อตัวของฟิล์มเชื่อมต่อบนอิเล็กโทรดทั้งสอง ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นของเซลล์เกิดจากการดัดแปลงส่วนประกอบชั้นอินเทอร์เฟซบนแอโนดกราไฟท์และแคโทด LiNi _0.5 Co _0.2 Mn _0.3 O ₂ ซึ่งทำให้อิมพีแดนซ์ของอินเทอร์เฟซลดลง

ที่มา: Zuo, Xiaoxi & Fan, Chengjie & Liu, Jiansheng & Xiao, Xin & Wu, Junhua & Nan, Junmin (2013). Lithium Tetrafluoroborate เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพไฟฟ้าแรงสูงของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน วารสารสมาคมไฟฟ้าเคมี. 160. A1199-A1204. 10.1149/2.066308jes. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.066308jes

ลิเธียม ไดฟลูออโรฟอสเฟต กับ โซเดียม ไดฟลูออโรฟอสเฟต เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ Li-ion

2021-11-24 | Jerry Huang

ลิเธียมไดฟลูออโรฟอสเฟต (LiDFP, LFO) มีประโยชน์อย่างมากในฐานะสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวงจรชีวิตและความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่ Li-ion ที่อุณหภูมิสูง รวมทั้งลดการคายประจุเอง ในขณะที่โซเดียมไดฟลูออโรฟอสเฟตมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันในเซลล์แบตเตอรี่ NMC532? มาดูบทความที่ตีพิมพ์ใน Journal of The Electrochemical Society ในปี 2020 กัน

สรุป: สารเติมแต่งเกลืออิเล็กโทรไลต์ไดฟลูออโรฟอสเฟตชนิดใหม่สามชนิดถูกสังเคราะห์และประเมินผลในเซลล์ถุงใส่กราไฟท์ NMC532 แอมโมเนียมไดฟลูออโรฟอสเฟต (AFO) ถูกเตรียมโดยง่ายผ่านปฏิกิริยาโซลิดสเตตแบบตั้งโต๊ะของแอมโมเนียมฟลูออไรด์และฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ที่ต้องการความร้อนเพียงเล็กน้อยในการเริ่มต้น ผลผลิตที่ดีที่สุดของโซเดียมไดฟลูออโรฟอสเฟต (NaFO) ในการศึกษานี้ได้จากการทำปฏิกิริยากรดไดฟลูออโรฟอสฟอริกและโซเดียมคาร์บอเนตใน 1,2-diemethoxyethane เหนือตะแกรงโมเลกุล 3 Å ซึ่งเป็นสารทำให้แห้งที่แรงมาก เตตระเมทิลแอมโมเนียม ไดฟลูออโรฟอสเฟต (MAFO) ถูกเตรียมจาก NaFO ผ่านการแลกเปลี่ยนไอออนบวกกับเตตระเมทิลแอมโมเนียม คลอไรด์

มีรายงานว่า NaFO เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่ดีมาก โดยมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันในเซลล์ NMC532/gr เป็นสารเติมแต่งลิเธียม ไดฟลูออโรฟอสเฟต (LFO) ที่รู้จักกันดี โดยแต่ละตัวแสดงการกักเก็บความสามารถในการปลดปล่อย ~90% หลังจากมากกว่า 1,500 รอบที่ 40 °C ความเสถียรในระยะยาวระหว่างการปั่นจักรยานระหว่าง 3.0–4.3 V นั้นเปรียบเทียบได้ดีกับ แต่ถึงกระนั้นก็ยังน้อยกว่าเซลล์เกณฑ์มาตรฐาน 2% VC 1% DTD ที่รายงานโดย Harlow et al. ซึ่งมีการคงความจุไว้ ∼94% หลังจาก 1,500 รอบ ลักษณะที่เป็นประโยชน์ของสารเติมแต่งทั้งสองนี้มาจากประจุลบของไดฟลูออโรฟอสเฟต ในทางตรงกันข้าม AFO และ MAFO ถูกพบว่าเป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ดี นี้แนะนำว่าเป็นเพราะการก่อตัวของลิเธียมไนไตรด์สำหรับอดีต ไม่ทราบสาเหตุที่เตตระเมทิลแอมโมเนียมไอออนบวกมีผลเสียต่อความเสถียรของเซลล์

ข้อมูลอ้างอิง:

1. การสังเคราะห์และการประเมินสารเติมแต่งเกลืออิเล็กโทรไลต์ไดฟลูออโรฟอสเฟตสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน, วารสารสมาคมเคมีไฟฟ้า, 2020 167 100538, David S. Hall, Toren Hynes, Connor P. Aiken และ JR Dahn

LiFSI กับ LiPF6 ในอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ Li-ion

2021-11-11 | Jerry Huang

LiFSI จะแทนที่ LiPF6 ในอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ Li-ion หรือไม่ การใช้เกลือชนิดใหม่ ลิเธียม บิส (ฟลูออโรซัลโฟนิล) อิไมด์ (LiFSI) แทนการใช้ลิเธียมเฮกซะฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) เป็นอิเล็กโทรไลต์ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ Li-ion ที่มีซิลิกอนแอโนด ตามบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร American Chemical Society โดยนักวิจัย ในยุโรป.

ลิเทียม บิส (ฟลูออโรซัลโฟนิล)อิไมด์ หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า LiFSI มีสูตรโมเลกุล F2LiNO4S2 และหมายเลข CAS 171611-11-3 LiFSI ดูเหมือนจะเป็นผงสีขาว โดยมีน้ำหนักโมเลกุลเท่ากับ 187.07 และมีจุดหลอมเหลวระหว่าง 124-128°C (255-262.4°F)

เมื่อเปรียบเทียบกับ LiPF6 แล้ว LiFSI ไม่เพียงแต่เพิ่มความเสถียรทางความร้อนในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเท่านั้น แต่ยังให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในแง่ของการนำไฟฟ้า อายุการใช้งาน และอุณหภูมิต่ำ อย่างไรก็ตาม LiFSI อาจกัดกร่อนอะลูมิเนียมฟอยล์ได้ เอกสารทางวิชาการบางฉบับแสดงให้เห็นว่าการกัดกร่อนของอลูมิเนียมฟอยล์ส่วนใหญ่มาจาก FSI-ion ใน LiFSI แต่ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้ด้วยสารเติมแต่ง เช่น สารเติมแต่งฟอยล์อะลูมิเนียมที่มีฟลูออรีนที่มีฟลูออรีน

แนวโน้มค่อนข้างแน่นอนว่า LiFSI กำลังกลายเป็นหนึ่งในเกลือลิเธียมกระแสหลักสำหรับอิเล็กโทรไลต์รุ่นต่อไป ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคและแบตเตอรี่ LFP ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องและทำซ้ำรุ่นแล้วรุ่นเล่าที่มีความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับความหนาแน่นของพลังงาน สมรรถนะสูงและอุณหภูมิต่ำ อายุการใช้งาน และประสิทธิภาพการชาร์จและอัตราการคายประจุ

เนื่องจากปัญหาทางเทคนิคที่สูงในการผลิตจำนวนมากและต้นทุนสูง LiFSI ไม่ได้ถูกใช้โดยตรงเป็นเกลือลิเธียมที่ถูกละลาย แต่เป็นสารเติมแต่งที่ผสมกับลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) สำหรับใช้ในอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ Li-ion กำลังสูงโดยเฉพาะ ตัวอย่างเช่น LG Chem ใช้ LiFSI เป็นสารเติมแต่งในอิเล็กโทรไลต์มาระยะหนึ่งแล้ว เมื่อเทคโนโลยีดีขึ้น จะมีการเติม LiFSI ลงในอิเล็กโทรไลต์มากขึ้นเรื่อยๆ เป็นที่เชื่อกันว่าต้นทุนของ LiFSI จะลดลงไปอีกเมื่อต้องขยายการผลิตเป็นจำนวนมาก และเมื่อเวลาผ่านไป LiFSI มีศักยภาพที่จะแทนที่ LiPF6 เป็นเกลือลิเธียมหลักสำหรับอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ li-ion พลังงาน

ที่มา:

• https://www.greencarcongress.com/2013/06/lifsi-20130626.html