โพลิเมอร์ลิเธียมจะชนะการแข่งขันแบตเตอรี่โซลิดสเตตหรือไม่?
| 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:
การประเมินที่ขยายเพิ่มเติม: การใช้งานในอุตสาหกรรมต้องเกี่ยวข้องกับปัจจัยระบบต่างๆ รวมถึง: ความสามารถในการปรับขนาด ความเป็นไปได้ (เกี่ยวข้องกับความเข้ากันได้ของกระบวนการ การควบคุมผลผลิต ฯลฯ) ความสมบูรณ์ของห่วงโซ่อุปทาน (ครอบคลุมเสถียรภาพของวัตถุดิบที่สำคัญ ความสามารถในการรองรับอุปกรณ์เฉพาะทาง ฯลฯ) และต้นทุนตลอดอายุการใช้งานทั้งหมด (ครอบคลุมการจัดซื้อวัตถุดิบ การผลิต การรีไซเคิล ฯลฯ)
การเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุนเทคโนโลยี: การสร้างอุตสาหกรรมต้องการความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างข้อมูลทางเทคนิคและต้นทุน รวมถึงความสมดุลแบบไดนามิกระหว่างประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีและต้นทุนการผลิต ผลกระทบของการเลือกระบบวัสดุและความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทาน และความสมดุลระหว่างความซับซ้อนของกระบวนการผลิตและความสามารถในการปรับขนาด
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