แบตเตอรี่โซลิดสเตต: เมื่อใด "สิ่งทดแทน" จะกลายเป็น "แกนนำ"?

แบตเตอรี่โซลิดสเตตกำลังกลายเป็นแหล่งพลังงานแห่งยุคหน้า แต่แบตเตอรี่ไฮบริดโซลิด-ของเหลวมีแนวโน้มที่จะจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ก่อนและทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมที่สำคัญระหว่างเซลล์ลิเธียมไอออนเหลวในปัจจุบันและระบบโซลิดสเตตทั้งหมดในอนาคต

แบตเตอรี่โซลิดสเตตคืออะไร

แบตเตอรี่โซลิดสเตตจะแทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวไวไฟด้วยวัสดุแข็ง ในขณะเดียวกันก็ทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นและประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยดีขึ้น แคโทดของพวกมันสามารถใช้วัสดุพลังงานสูง เช่น สารประกอบที่มีแมงกานีสอุดมด้วยลิเธียม ในขณะที่แอโนดสามารถรวมนาโนซิลิกอนและกราไฟต์เพื่อดันความหนาแน่นของพลังงานไปที่ 300–450 Wh/kg

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนำพาลิเธียมไอออนโดยไม่มีความเสี่ยงต่อการรั่วซึม และลดความน่าจะเป็นที่เกิดจากความร้อนไม่ได้อย่างมาก

แอโนดที่มีความจุสูงกว่าและแคโทดแรงดันสูงทำให้แบตเตอรี่โซลิดสเตทมีศักยภาพในการขับขี่ในยานพาหนะไฟฟ้าได้ไกลขึ้น และความทนทานที่ดีขึ้นในโดรนหรือระบบกักเก็บพลังงาน

ไฮบริดของแข็ง-ของเหลวเป็นการเปลี่ยนแปลง

บทความนี้จะแยกแยะแบตเตอรี่ลิเธียมเหลว ไฮบริดโซลิด-ของเหลว และลิเธียมโซลิดสเตตทั้งหมด โดยเน้นว่าการออกแบบไฮบริดเป็นขั้นตอนการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ แบตเตอรี่กึ่งแข็ง กึ่งแข็ง และ "แข็ง" ในตลาดส่วนใหญ่จัดอยู่ในหมวดหมู่ไฮบริดนี้ โดยจะแตกต่างกันเพียงอัตราส่วนของของเหลวต่ออิเล็กโทรไลต์แข็งเท่านั้น

แบตเตอรี่ไฮบริดโซลิด-ของเหลวยังคงมีอิเล็กโทรไลต์เหลวอยู่บ้าง ซึ่งปรับปรุงการสัมผัสกับวัสดุออกฤทธิ์และลดความยุ่งยากในการผลิต

แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเท่านั้น ซึ่งให้ความปลอดภัยจากภายในที่ดีกว่าและความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีที่สูงขึ้น แต่ในปัจจุบันต้องเผชิญกับความท้าทายทางวิศวกรรมที่รุนแรงมากขึ้น

อุปสรรคทางเทคนิคต่อโซลิดสเตตเต็ม

แม้ว่าบริษัทและสถาบันวิจัยหลายแห่งทั่วโลกกำลังลงทุนในเทคโนโลยีโซลิดสเตต แต่ไม่มีเซลล์พลังงานโซลิดสเตตความจุขนาดใหญ่ที่ยังเทียบได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลวทั้งในด้านประสิทธิภาพและราคา ปัญหาหลักอยู่ที่ส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งและของแข็ง ซึ่งวัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่แข็งทำให้ยากต่อการรักษาการสัมผัสใกล้ชิดกับอิเล็กโทรดในระหว่างการปั่นจักรยานและการเปลี่ยนแปลงปริมาตร

เส้นทางในปัจจุบันประกอบด้วยแบตเตอรี่โพลีเมอร์ ฟิล์มบาง ซัลไฟด์ และออกไซด์โซลิดสเตต ซึ่งแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อจำกัดที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างเช่น เซลล์โซลิดสเตตโพลีเมอร์ประสบปัญหาที่อุณหภูมิห้องและมีแคโทดไฟฟ้าแรงสูง ในขณะที่ระบบซัลไฟด์ไวต่ออากาศและจำเป็นต้องมีสภาวะการผลิตที่มีความต้องการสูง

กลยุทธ์การแข็งตัวในแหล่งกำเนิด

เพื่อเอาชนะปัญหาอินเทอร์เฟซในขณะที่ใช้ประโยชน์จากโครงสร้างพื้นฐานลิเธียมไอออนที่มีอยู่ นักวิจัยเสนอวิธีการแข็งตัวในแหล่งกำเนิดสำหรับอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง-ของเหลวแบบไฮบริด ในระหว่างการประกอบเซลล์ สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวจะทำให้แน่ใจได้ว่าจะมีการเปียกและการสัมผัสที่ดี ต่อมาปฏิกิริยาเคมีหรือเคมีไฟฟ้าจะเปลี่ยนของเหลวนี้ทั้งหมดหรือบางส่วนให้เป็นอิเล็กโทรไลต์แข็งภายในเซลล์

วิธีการนี้ปรับปรุงการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดกับอิเล็กโทรไลต์ ยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์ และสร้างสมดุลระหว่างความปลอดภัย แรงดันไฟฟ้าสูง และประสิทธิภาพการชาร์จที่รวดเร็ว

นอกจากนี้ยังสามารถนำกระบวนการผลิตลิเธียมไอออนเหลวในปัจจุบันกลับมาใช้ใหม่ได้จำนวนมาก ช่วยให้ผู้ผลิตขยายขนาดได้รวดเร็วยิ่งขึ้นและลดต้นทุน

ทิศทางการพัฒนาในอนาคต

ผู้เชี่ยวชาญคาดหวังว่าแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตทั้งหมดจะต้องใช้เวลาเพิ่มอีกประมาณห้าปีก่อนที่จะดำเนินการเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ได้อย่างแท้จริง ดังนั้นแบตเตอรี่พลังงานโซลิดสเตตไฮบริดจึงยังคงเป็นเส้นทางระยะสั้นที่สมจริง เพื่อเร่งการพัฒนาอุตสาหกรรม บทความนี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการประสานความก้าวหน้าในด้านวัสดุ การออกแบบเซลล์ การผลิต และมาตรฐาน

ลำดับความสำคัญได้แก่: การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่มีค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกที่สมดุล ความเสถียร และความสามารถในการแปรรูป การจับคู่อิเล็กโทรดพลังงานสูง เช่น แคโทดนิกเกิลสูงและแอโนดโลหะซิลิคอนคาร์บอนหรือลิเธียม และบูรณาการการจำลองแบบดิจิทัลเข้ากับการผลิตอัจฉริยะ

อุตสาหกรรมได้รับการสนับสนุนให้สร้างห่วงโซ่อุปทานที่แข็งแกร่งสำหรับวัสดุหลัก ลงทุนในอุปกรณ์อัตโนมัติ ปรับแต่งระบบการทดสอบและประเมินผล และค่อยๆ พัฒนาจากของแข็ง-ของเหลวแบบไฮบริด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไปสู่แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลโซลิดสเตตเต็มที่