เผยโฉมวัสดุฮาไลด์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงราคาไม่แพงและมีอายุการใช้งานยาวนาน

2025-09-09 | 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

โพลิเมอร์ลิเธียมจะชนะการแข่งขันแบตเตอรี่โซลิดสเตตหรือไม่?

2025-09-08 | Jerry Huang

หมายเหตุบรรณาธิการ: แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตมีอิเล็กโทรไลต์อยู่ 4 ประเภท ได้แก่ โพลิเมอร์ ออกไซด์ ซัลไฟด์ และฮาไลด์ โดยแต่ละประเภทมีคุณสมบัติเฉพาะที่แตกต่างกัน:

พอลิเมอร์ลิเธียมอิเล็กโทรไลต์

วัสดุโพลิเมอร์เหล่านี้ใช้อิเล็กโทรไลต์ จึงมีความยืดหยุ่นและมีค่าการนำไฟฟ้าไอออนสูง จึงเหมาะสมที่จะใช้เป็นวัสดุเปลี่ยนผ่านสำหรับแบตเตอรี่กึ่งแข็ง มีคุณสมบัติการแปรรูปที่ดี แม้ว่าความเสถียรของวงจรไฟฟ้าในระยะยาวยังต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม

อิเล็กโทรไลต์ลิเธียมออกไซด์

อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้ซึ่งผลิตจากวัสดุอย่างลิเธียมออกไซด์ มีต้นทุนต่ำกว่าและมีเสถียรภาพดี แต่มีค่าการนำไอออนต่ำเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ

ลิเธียมซัลไฟด์อิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์เหล่านี้ซึ่งมีสารประกอบลิเธียมซัลไฟด์เป็นศูนย์กลาง มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องสูงและความเข้ากันได้ของอินเทอร์เฟซที่ยอดเยี่ยม ทำให้เป็นเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มทางการค้าสูงสุดในบรรดาเทคโนโลยีทั้งหมด อย่างไรก็ตาม วัสดุซัลไฟด์มีความเสถียรทางเคมีต่ำและต้นทุนการผลิตสูง

อิเล็กโทรไลต์ลิเธียมฮาไลด์

อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตฮาไลด์มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าและทนต่อการออกซิเดชันสูง แต่ยังคงอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการโดยมีแนวโน้มการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ที่ไม่ชัดเจน

คุณสมบัติทั่วไป

แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดแทนที่อิเล็กโทรไลต์แบบของเหลวดั้งเดิมด้วยวัสดุผงอนินทรีย์ ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม กระบวนการทางเทคนิคที่แตกต่างกันแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างอย่างมากในด้านต้นทุนและความสมบูรณ์ของกระบวนการ ตัวอย่างเช่น แม้ว่ากระบวนการซัลไฟด์จะมีสภาพนำไฟฟ้าสูง แต่กลับมีความเสถียรทางเคมีต่ำ ในขณะที่กระบวนการโพลิเมอร์ต้องเผชิญกับความท้าทายด้านประสิทธิภาพอายุการใช้งาน

ปัจจุบันเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตกำลังอยู่ในช่วงเปลี่ยนผ่านที่สำคัญจากต้นแบบในห้องปฏิบัติการไปสู่การพัฒนาในระดับอุตสาหกรรม ซึ่งกำลังรอคอยการยกเครื่องกรอบการประเมินอย่างเป็นระบบ ขั้นตอนในห้องปฏิบัติการมุ่งเน้นไปที่ตัวชี้วัดประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า (เช่น ความหนาแน่นของพลังงาน อายุการใช้งาน และความสามารถในการวัดอัตรา) เป็นหลัก ในขณะที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตในระดับอุตสาหกรรมจำเป็นต้องมีการกำหนดเกณฑ์การประเมินแบบหลายมิติ:

1. การประเมินที่ขยายเพิ่มเติม: การใช้งานในอุตสาหกรรมต้องเกี่ยวข้องกับปัจจัยระบบต่างๆ รวมถึง: ความสามารถในการปรับขนาด ความเป็นไปได้ (เกี่ยวข้องกับความเข้ากันได้ของกระบวนการ การควบคุมผลผลิต ฯลฯ) ความสมบูรณ์ของห่วงโซ่อุปทาน (ครอบคลุมเสถียรภาพของวัตถุดิบที่สำคัญ ความสามารถในการรองรับอุปกรณ์เฉพาะทาง ฯลฯ) และต้นทุนตลอดอายุการใช้งานทั้งหมด (ครอบคลุมการจัดซื้อวัตถุดิบ การผลิต การรีไซเคิล ฯลฯ)

2. การเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุนเทคโนโลยี: การสร้างอุตสาหกรรมต้องการความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างข้อมูลทางเทคนิคและต้นทุน รวมถึงความสมดุลแบบไดนามิกระหว่างประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีและต้นทุนการผลิต ผลกระทบของการเลือกระบบวัสดุและความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทาน และความสมดุลระหว่างความซับซ้อนของกระบวนการผลิตและความสามารถในการปรับขนาด

3. การประเมินอย่างเป็นระบบ: การปฏิบัติตามข้อกำหนดที่สำคัญต่างๆ รวมถึงความสม่ำเสมอของการผลิตจำนวนมาก (มาตรฐานการควบคุมคุณภาพ 6σ) การรับรองความปลอดภัย (เช่น การปฏิบัติตาม UL 9540A และมาตรฐานสากลอื่นๆ) และการออกแบบความสามารถในการผลิตแบบสายเดียว ≥2GWh เป็นต้น

ศาสตราจารย์กัวมีมุมมองที่แตกต่างออกไปเกี่ยวกับชัยชนะของพอลิเมอร์ลิเธียมในการแข่งขันแบตเตอรี่โซลิดสเตตเหนืออิเล็กโทรไลต์ลิเธียมซัลไฟด์ ลองมาดูงานวิจัยของทีมซินกัวกัน ขอบคุณมากสำหรับความพยายามอันยิ่งใหญ่ของนักวิจัยทุกท่าน

เชิงนามธรรม

แบตเตอรี่โซลิดสเตต (SSB) มีแนวโน้มที่จะปฏิวัติวงการกักเก็บพลังงาน ด้วยการเพิ่มความปลอดภัย ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป ในบรรดาอิเล็กโทรไลต์โซลิดหลากหลายชนิด พอลิเมอร์มีความโดดเด่นในด้านการผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ระหว่างความสามารถในการขึ้นรูป การยืดหยุ่นเชิงกล และความยืดหยุ่นทางเคมี บทความนี้จะสำรวจว่าเหตุใดพอลิเมอร์จึงพร้อมที่จะเป็นผู้นำในการแข่งขันสู่ SSB เชิงพาณิชย์ ข้อได้เปรียบที่แท้จริงของแบตเตอรี่โซลิดสเตต เช่น การสัมผัสพื้นผิวกับอิเล็กโทรดที่เหนือกว่า ค่าการนำไฟฟ้าไอออนที่ปรับได้ และความเข้ากันได้กับวิธีการผลิตที่ปรับขนาดได้ รวมถึงความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญที่แบตเตอรี่เหล่านี้เผชิญ ได้แก่ เสถียรภาพทางความร้อนที่จำกัด ขอบเขตของไฟฟ้าเคมีที่แคบ และการเสื่อมสภาพของพื้นผิว การศึกษานี้เน้นย้ำถึงแนวทางแก้ปัญหาที่เกิดขึ้นใหม่จากงานวิจัยล่าสุด ซึ่งรวมถึงการออกแบบโมเลกุลของพอลิเมอร์ คอมโพสิตพอลิเมอร์-เซรามิก และกลยุทธ์การเกิดพอลิเมอไรเซชันแบบ in situ ซึ่งแตกต่างจากระบบออกไซด์และซัลไฟด์ ซึ่งเผชิญกับอุปสรรคสำคัญด้านต้นทุน ความสามารถในการผลิต และการผสานรวม อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้พอลิเมอร์เป็นส่วนประกอบหลักนำเสนอเส้นทางที่เป็นจริงและคุ้มค่าทางเศรษฐกิจสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในการออกแบบวัสดุและการแปรรูปทางอุตสาหกรรม โพลิเมอร์ไม่เพียงแต่มีความสามารถในการแข่งขันเท่านั้น แต่ยังเป็นผู้นำในการเปลี่ยนผ่านไปสู่แบตเตอรี่โซลิดสเตตรุ่นถัดไปอีกด้วย

อ้างอิง

https://doi.org/10.1002/advs.202510481

ข่าวล่าสุด: ขั้วบวกซิลิคอนผสมโบรอนทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นถึง 3 เท่า

2025-06-29 |

เชิงนามธรรม

การรักษาเสถียรภาพของเฟสอินเตอร์เฟสของอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็ง (SEI) ยังคงเป็นความท้าทายสำคัญสำหรับขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ซิลิกอน การผสมซิลิกอนกับธาตุรอง เช่น โบรอน ได้กลายเป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มดีในการปรับปรุงอายุการทำงานของขั้วบวกของซิลิกอน แต่กลไกพื้นฐานยังคงไม่ชัดเจน เพื่อแก้ไขช่องว่างของความรู้นี้ ความเข้มข้นของโบรอนมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่อย่างไรจึงได้รับการตรวจสอบอย่างเป็นระบบ ผลลัพธ์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของอายุการทำงานของวงจรที่เกือบจะเป็นเอกภาพโดยมีปริมาณโบรอนสูงกว่า โดยอิเล็กโทรดที่มีโบรอนสูงนั้นมีประสิทธิภาพเหนือกว่าซิลิกอนบริสุทธิ์อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ ขั้วบวกของโลหะผสมซิลิกอน-โบรอนยังมีอายุการใช้งานตามปฏิทินยาวนานกว่าซิลิกอนบริสุทธิ์เกือบสามเท่า จากการวิเคราะห์เชิงกลไกโดยละเอียด ปัจจัยสนับสนุนอื่นๆ ถูกตัดออกอย่างเป็นระบบ และมีข้อเสนอว่าการทำให้เฉื่อยที่ปรับปรุงดีขึ้นนั้นเกิดจากไดโพลถาวรที่แข็งแกร่งบนพื้นผิวของอนุภาคนาโน ไดโพลนี้ซึ่งเกิดจากโบรอนที่มีการประสานงานไม่เพียงพอและเป็นกรดลูอิสสูง จะสร้างชั้นไอออนที่มีความหนาแน่นคงที่ ซึ่งจะทำให้ส่วนต่อประสานทางเคมีไฟฟ้ามีเสถียรภาพ ลดการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ปรสิต และเพิ่มเสถียรภาพในระยะยาว ผลการวิจัยเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าภายในกรอบงาน SEI ชั้นคู่ไฟฟ้าถือเป็นปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในการทำปฏิกิริยากับพื้นผิว ข้อมูลเชิงลึกนี้ช่วยให้สามารถหาพื้นที่พารามิเตอร์ที่ยังไม่ได้สำรวจเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแอโนดซิลิกอนในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นต่อไปได้

อ้างอิง

ภาษาไทย: https://doi.org/10.1002/aenm.202501074

LiTFSI สร้างความแตกต่างให้กับแบตเตอรี่โซเดียม-โลหะอย่างไร?

2025-06-29 |

หมายเหตุของบรรณาธิการ: แบตเตอรี่โซเดียม-เมทัลมีความสำคัญต่อการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ในฐานะอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงและมีต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลต์และ SEI จำกัดอายุการใช้งานและอัตราการชาร์จ/คายประจุของแบตเตอรี่โซเดียม-เมทัล LiTFSI สร้างความแตกต่างให้กับแบตเตอรี่โซเดียม-เมทัลอย่างไร นี่คือตัวอย่าง ขอบคุณการวิจัยพิเศษจากทีม Shuang Wan

เชิงนามธรรม

การสร้างอินเตอร์เฟสอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่มีอนินทรีย์และแข็งแรง (SEI) เป็นหนึ่งในแนวทางที่สำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่โซเดียมเมทัล (SMB) อย่างไรก็ตาม การนำไฟฟ้าต่ำและการกระจายตัวของสารอนินทรีย์ทั่วไปใน SEI จะรบกวนการแพร่กระจายของ Na+ และทำให้เกิดการสะสมของโซเดียมที่ไม่สม่ำเสมอ ที่นี่ เราสร้าง SEI ที่ไม่ซ้ำใครด้วยสารอนินทรีย์ที่มีการนำไฟฟ้าสูงที่กระจายอย่างสม่ำเสมอโดยการนำ LiTFSI ที่เสียสละตัวเองเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตที่เป็นเกลือโซเดียม ผลกระทบจากการแข่งขันที่ลดลงระหว่าง LiTFSI และ FEC อำนวยความสะดวกในการสร้าง SEI ด้วยสารอนินทรีย์ที่กระจายอย่างสม่ำเสมอ ซึ่ง Li3N ที่มีการนำไฟฟ้าสูงและสารอนินทรีย์จะให้โดเมนการขนส่งไอออนอย่างรวดเร็วและไซต์นิวเคลียสที่มีฟลักซ์สูงสำหรับ Na+ จึงเอื้อต่อการสะสมโซเดียมอย่างรวดเร็วในอัตราที่สูง ดังนั้น SEI ที่ได้จาก LiTFSI และ FEC ทำให้เซลล์ Na∥Na3V2(PO4)3 สามารถรักษาความจุได้ 89.15% (87.62 mA hg–1) ในอัตราสูงสุดที่ 60 องศาเซลเซียส หลังจาก 10,000 รอบ ในขณะที่เซลล์ที่ไม่มี LiTFSI สามารถรักษาความจุได้เพียง 48.44% แม้จะผ่านไป 8,000 รอบแล้วก็ตาม ยิ่งไปกว่านั้น เซลล์ถุง Na∥Na3V2(PO4)3 ที่มี SEI พิเศษนั้นสามารถรักษาความจุได้อย่างเสถียรที่ 92.05% ที่อุณหภูมิ 10 องศาเซลเซียส หลังจาก 2,000 รอบ การออกแบบ SEI ที่เป็นเอกลักษณ์นี้แสดงให้เห็นถึงกลยุทธ์ใหม่ในการขับเคลื่อน SMB ให้ทำงานภายใต้เงื่อนไขอัตราสูงสุด

ลิขสิทธิ์ © 2023 สมาคมเคมีอเมริกัน

อ้างอิง

ภาษาไทย: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08224

LiTFSI ให้ความช่วยเหลือที่ยอดเยี่ยมสำหรับประสิทธิภาพสูงของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตที่ใช้ซัลไฟด์

2025-06-27 |

หมายเหตุของบรรณาธิการ: LiTFSI, CAS: 90076-65-6 ช่วยในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตทั้งหมดที่ใช้ซัลไฟด์ได้อย่างไร นี่คือตัวอย่าง ขอบคุณการวิจัยอันยอดเยี่ยมจากทีมงาน Fangyang Liu

เชิงนามธรรม

หน้าต่างไฟฟ้าเคมีที่แคบของอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์สามารถนำไปสู่กลไกความล้มเหลวที่แตกต่างกันที่อินเทอร์เฟซของด้านแคโทดและแอโนด การแนะนำกลยุทธ์การปรับเปลี่ยนที่แตกต่างกันสำหรับด้านแคโทดและแอโนดทำให้กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตทั้งหมดที่ใช้ซัลไฟด์ (ASSLB) มีความซับซ้อนมากขึ้น ในงานนี้ มีการใช้กลยุทธ์การปรับเปลี่ยนแบบบูรณาการโดยการนำเปลือกลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟนิล)อิไมด์ (LiTFSI) มาใช้ในระหว่างกระบวนการกลั่นแบบเปียกของ Li6PS5Cl (LPSC) ซึ่งสร้างอินเทอร์เฟซฟลูออรีนที่แข็งแรงได้สำเร็จทั้งในด้านแคโทดและแอโนดพร้อมกัน ในด้านแอโนดลิเธียม การนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่ลดลงของ LiTFSI@LPSC และการสร้างอินเทอร์เฟซฟลูออรีนสามารถยับยั้งการเติบโตของเดนไดรต์ลิเธียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งได้รับการยืนยันเพิ่มเติมด้วยการคำนวณทฤษฎีความหนาแน่น-ฟังก์ชัน (DFT) ส่งผลให้เซลล์ Li|LiTFSI@LPSC|Li มีความหนาแน่นของกระแสวิกฤตสูงถึง 1.6 mA cm−2 และประสิทธิภาพการทำงานแบบรอบคงที่นานกว่า 1,500 ชั่วโมงที่ 0.2 mA cm−2 ในด้านแคโทด LiTFSI@LPSC ไม่เพียงแต่ปรับปรุงการขนส่ง Li+ ภายในแคโทดคอมโพสิตเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงเปลือก LiTFSI ในตำแหน่งที่สลายตัวเป็นเฟสอิเล็กโทรไลต์แคโทดที่ใช้ LiF (CEI) อีกด้วย โดยสามารถรักษาความจุได้ 98.6% หลังจาก 500 รอบที่อุณหภูมิ 2C ด้วย LiNi0.83Co0.11Mn0.06O2 (NCM83) ที่แรงดันตัดสูง 4.6 V LiTFSI@LPSC ที่มีฟังก์ชันช่วยให้ปรับเปลี่ยนอินเทอร์เฟซได้อย่างครอบคลุมและครบวงจรสำหรับทั้งด้านแอโนดและแคโทด ทำให้การออกแบบอินเทอร์เฟซใน ASSLB ที่ใช้ซัลไฟด์ง่ายขึ้นอย่างมากในขณะที่มอบประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม

อ้างอิง

ที่มา: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104131

มีอะไรใหม่ในแอปพลิเคชัน LiTFSI?

2025-06-26 | Jerry Huang

ลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟนิล)อิไมด์ (LiTFSI) มีสูตรโมเลกุลเคมีคือ C2F6LiNO4S2 เป็นสารอินทรีย์ผลึกสีขาวหรือผงที่มีความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าและความร้อนสูง LiTFSI เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสามารถนำไปใช้กับระบบแบตเตอรี่ต่างๆ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมหลัก แบตเตอรี่ลิเธียมรอง และแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตต

ลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์ (LiTFSI) ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญในอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ขึ้นชื่อในเรื่องความเสถียรทางความร้อนและไฟฟ้าเคมีที่ยอดเยี่ยม ด้วยโครงสร้างโมเลกุลที่เป็นเอกลักษณ์ เกลือลิเธียมนี้สร้างเครือข่ายไอออนแข็งภายในอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยลดความหนืดของสารละลายได้อย่างมาก แต่ยังเพิ่มอัตราการส่งผ่านของลิเธียมไอออนได้อย่างมากอีกด้วย คุณสมบัตินี้แปลโดยตรงเป็นประสิทธิภาพสูงในกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุแบตเตอรี่ ทำให้ LiTFSI เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตต LiTFSI แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยม นอกจากนี้ ยังแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพเชิงบวกอย่างมากในการวิจัยแบตเตอรี่โซเดียมเมทัล (SMB) และคาดว่าจะผลักดันให้เกิดนวัตกรรมใหม่ๆ เพิ่มเติมในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม ความเสถียรของประสิทธิภาพการทำงานของ LiTFSI ในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนและเป็นระบบเป็นปัญหาเร่งด่วนที่ต้องแก้ไขในการวิจัยปัจจุบัน

ลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์ (LiTFSI) เริ่มมีการนำไปใช้งานในแบตเตอรี่ประเภทใหม่ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโซลิดสเตต รวมถึงแบตเตอรี่โซลิดสเตตโพลิเมอร์ แบตเตอรี่โซลิดสเตตซัลไฟด์ และแบตเตอรี่โซลิดสเตตออกไซด์ LiTFSI ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ รวมถึงบทบาทในการป้องกันขั้วบวก อำนวยความสะดวกในการชาร์จอย่างรวดเร็ว และส่งเสริมข้อได้เปรียบสูงในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรมีเทนซัลโฟนิล)อิไมด์เป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่สำคัญชนิดหนึ่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งสามารถปรับปรุงเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้า ประสิทธิภาพการทำงานเป็นรอบ และสภาพนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์ และมีผลกัดกร่อนน้อยลงบนแผ่นอลูมิเนียมที่แรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าได้

คาดว่าจะสร้างระบบจ่ายพลังงานคาร์บอนต่ำ

2024-07-21 | Jerry Huang

เมื่อวันที่ 15 กรกฎาคม 2024 คณะกรรมการพัฒนาและปฏิรูปแห่งชาติของจีน (NDRC) และสำนักงานบริหารพลังงานแห่งชาติ (NEA) ได้ออก "โครงการเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงคาร์บอนต่ำและการก่อสร้างโรงไฟฟ้าถ่านหิน (2024-2027)" ซึ่งกล่าวถึงว่า: ภายในปี 2025 โครงการเปลี่ยนแปลงคาร์บอนต่ำของโรงไฟฟ้าถ่านหินแห่งแรกทั้งหมดจะเริ่มต้นขึ้น และเทคโนโลยีพลังงานคาร์บอนต่ำจำนวนมากจะถูกนำไปใช้ การปล่อยก๊าซคาร์บอนของโครงการที่เกี่ยวข้องจะลดลงประมาณ 20% ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง เมื่อเทียบกับปี 2566 แม้จะต่ำกว่าการปล่อยก๊าซคาร์บอนของโรงไฟฟ้าถ่านหินขั้นสูงที่มีอยู่อย่างเห็นได้ชัดด้วยซ้ำ ดังนั้นการสำรวจประสบการณ์อันมีค่าสำหรับพลังงานสะอาดและต่ำ - การเปลี่ยนแปลงคาร์บอนของโรงไฟฟ้าถ่านหิน ด้วยการปรับเปลี่ยนการเปลี่ยนแปลงคาร์บอนต่ำของหน่วยผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินที่มีอยู่และการสร้างหน่วยผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินคาร์บอนต่ำใหม่ในลักษณะที่มีการประสานงาน เรามุ่งหวังที่จะเร่งการสร้างระบบพลังงานใหม่ที่สะอาด คาร์บอนต่ำ ปลอดภัยและมีคุณภาพสูง มีประสิทธิภาพ.

ตามการคาดการณ์ที่เกี่ยวข้อง ภายในปี 2573 การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากโรงไฟฟ้าถ่านหินจะอยู่ที่ประมาณ 4 พันล้านตัน ดังนั้น เทคโนโลยีคาร์บอนต่ำของอุตสาหกรรมพลังงานถ่านหินจึงเป็นการสนับสนุนหลักในการบรรลุเป้าหมาย '2030 - 2060 Carbon Peak & Carbon Neutral' ของจีน แล้วอุตสาหกรรมพลังงานถ่านหินจะบรรลุการลดคาร์บอนได้อย่างไร?

01 การเปลี่ยนแปลงการลดการปล่อยคาร์บอนของพลังงานถ่านหินและวิธีการก่อสร้าง

ตามโครงการเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงคาร์บอนต่ำและการก่อสร้างโรงไฟฟ้าถ่านหิน (พ.ศ. 2567-2570) มีวิธีเฉพาะสามวิธีในการเปลี่ยนพลังงานถ่านหินให้เป็นคาร์บอนต่ำ:

1 การผสมชีวมวล โดยการใช้ทรัพยากรชีวมวล เช่น ขยะจากการเกษตรและป่าไม้ พืชขยะ และพืชพลังงานทดแทน และคำนึงถึงการจัดหาทรัพยากรชีวมวลที่ยั่งยืน ความปลอดภัย ความยืดหยุ่น ประสิทธิภาพการดำเนินงาน และความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจ หน่วยผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินควรควบคู่ไปกับชีวมวล การผลิตกระแสไฟฟ้า หลังจากการเปลี่ยนแปลงและการก่อสร้าง โรงไฟฟ้าถ่านหินควรมีความสามารถในการผสมเชื้อเพลิงชีวมวลมากกว่า 10% ซึ่งช่วยลดการใช้ถ่านหินและการปล่อยก๊าซคาร์บอนได้อย่างมาก

2, การผสมแอมโมเนียสีเขียว โดยใช้กรีนแอมโมเนียผสมกับหน่วยพลังงานถ่านหินเพื่อผลิตไฟฟ้าและทดแทนถ่านหินบางส่วน หน่วยผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินควรมีความสามารถในการเผาไหม้แอมโมเนียสีเขียวมากกว่า 10% หลังจากการแปรรูปและการก่อสร้าง โดยมีเป้าหมายที่จะลดปริมาณการใช้ถ่านหินและระดับการปล่อยก๊าซคาร์บอนลงอย่างเห็นได้ชัด

3 การดักจับคาร์บอน การใช้ประโยชน์ และการเก็บรักษา นำวิธีการทางเคมี การดูดซับ เมมเบรน และเทคโนโลยีอื่นๆ มาใช้เพื่อแยกและดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในก๊าซไอเสียของหม้อไอน้ำที่ใช้ถ่านหินเป็นเชื้อเพลิง ดักจับ ทำให้บริสุทธิ์ และบีบอัดคาร์บอนไดออกไซด์ผ่านการปรับความดันและอุณหภูมิ ส่งเสริมการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีทางธรณีวิทยา เช่น การขับเคลื่อนน้ำมันด้วยคาร์บอนไดออกไซด์อย่างมีประสิทธิภาพ ใช้เทคโนโลยีเคมี เช่น คาร์บอนไดออกไซด์บวกไฮโดรเจน เพื่อให้ได้เมทานอล ดำเนินการจัดเก็บก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ทางธรณีวิทยาตามสภาพท้องถิ่น

02 เส้นทางการเปลี่ยนผ่านสำหรับพลังงานถ่านหินคาร์บอนต่ำ

การขยายพลังงานสะอาด รวมถึงพลังงานไฟฟ้าพลังน้ำ พลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นกุญแจสำคัญในการตระหนักถึงพิมพ์เขียวการจัดหาพลังงานคาร์บอนต่ำ หลังจากตอบสนองความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นแล้ว จำเป็นต้องมีการทดแทนพลังงานถ่านหินที่มีอยู่เพิ่มเติมสำหรับการเปลี่ยนผ่านพลังงานคาร์บอนต่ำ หลังจากปี 2030 พลังงานที่ไม่ใช่ฟอสซิลจะเข้ามาแทนที่พลังงานถ่านหินที่มีอยู่และกลายเป็นส่วนสำคัญของแหล่งจ่ายไฟ และหลังจากปี 2050 ส่วนแบ่งการผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินจะน้อยกว่า 5% ของแหล่งจ่ายไฟทั้งหมดของจีน

จากการศึกษาของมหาวิทยาลัย Renmin แห่งประเทศจีนเกี่ยวกับแนวโน้มการพัฒนาของการเปลี่ยนผ่านพลังงานถ่านหินแบบคาร์บอนต่ำของจีน สามารถแบ่งออกเป็นสามขั้นตอนดังต่อไปนี้:

1 นับจากนี้จนถึงปี 2030 ซึ่งเป็นช่วงเตรียมการสำหรับการเปลี่ยนผ่านคาร์บอนต่ำ กำลังการผลิตไฟฟ้าจากถ่านหินจะยังคงเติบโตปานกลางก่อนปี 2030 ขณะเดียวกัน พลังงานใหม่จะกลายเป็นแหล่งจ่ายพลังงานส่วนใหญ่เพิ่มขึ้น และส่วนแบ่งของพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ กำลังการผลิตติดตั้งจะมากกว่า 40% ภายในปี 2573

2 ปี 2030-2045 ซึ่งเป็นช่วงการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว หลังจากปี 2030 ส่วนแบ่งของพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์จะสูงกว่าพลังงานถ่านหินอย่างรวดเร็ว และกลายเป็นแหล่งพลังงานหลักของระบบไฟฟ้า โรงไฟฟ้าถ่านหินจำเป็นต้องควบคู่ไปกับเทคโนโลยีชีวมวล CCUS และเทคโนโลยีคาร์บอนต่ำที่สะอาดอื่นๆ ซึ่งช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน

3 ปี พ.ศ. 2588 - 2560 ซึ่งเป็นช่วงการเสริมสร้างและปรับปรุงแหล่งจ่ายไฟ โดยความต้องการไฟฟ้าจะอิ่มตัวภายในปี 2593 พลังงานถ่านหินจะเปลี่ยนเป็นแหล่งจ่ายไฟแบบปรับเปลี่ยนได้อย่างสมบูรณ์ เพื่อรองรับการย่อยและการดูดซับพลังงานหลักของพลังงานลม-พลังงานแสงอาทิตย์ และจัดให้มีไฟฟ้าฉุกเฉินและสำรอง

นี่คือตัวอย่างฐานทัพในทะเลทรายกูบูฉี กำลังการผลิตรวมตามแผนของฐานพลังงาน Kubuqi อยู่ที่ 16 ล้านกิโลวัตต์ ซึ่งรวมถึงพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ 8 ล้านกิโลวัตต์ พลังงานลม 4 ล้านกิโลวัตต์ และกำลังการผลิตไฟฟ้าถ่านหินประสิทธิภาพสูงขั้นสูง 4 ล้านกิโลวัตต์ โครงการพลังงานแสงอาทิตย์ที่ถูกสร้างขึ้นนั้นน่าทึ่ง โดยมีกำลังการผลิตไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ติดตั้งขนาด 2 ล้านกิโลวัตต์เปิดดำเนินการแล้ว หากทุกโครงการแล้วเสร็จคาดว่าจะสามารถส่งไฟฟ้าให้กับครอบครัวหลายล้านครอบครัวได้ประมาณ 4 หมื่นล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงต่อปี โดยพลังงานสะอาดคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 50% ของทั้งหมด ซึ่งเทียบเท่ากับการประหยัดพลังงานได้ประมาณ 6 ล้านตัน มาตรฐานถ่านหินและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 16 ล้านตันต่อปี มีการวางแผนว่าจะมีฐานพลังงานสะอาดเพิ่มมากขึ้น แผงโซลาร์เซลล์สร้างขึ้นครั้งแรก แผงโซลาร์เซลล์ในอีกหนึ่งปีต่อมา ฐานพลังงานแสงอาทิตย์ห้าปีต่อมา

สำหรับ EV และโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ ตามสถิติ ภายในสิ้นเดือนพฤษภาคม 2024 จำนวนโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จ EV ทั้งหมดสะสมอยู่ที่ 9.92 ล้านหน่วยทั่วประเทศจีน เพิ่มขึ้น 56% YOY ในบรรดาสิ่งอำนวยความสะดวกการชาร์จสาธารณะและภาคเอกชนเพิ่มขึ้นเป็น 3.05 ล้านหน่วยและ 6.87 ล้านตามลำดับ โดยมีอัตราการเติบโต 46% และ 61% YOY ตามลำดับ นี่แสดงให้เห็นว่าจีนได้สร้างเครือข่ายโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จที่ใหญ่ที่สุดในโลก ครอบคลุมพื้นที่ให้บริการที่กว้างที่สุดและประเภทการชาร์จที่หลากหลาย

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