ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมแบตเตอรี่พลังงานระดับโลก ความปลอดภัยสูง ความหนาแน่นของพลังงานสูง อายุการใช้งานยาวนาน และต้นทุนต่ำ จะกลายเป็นทิศทางหลักและเป้าหมายการพัฒนาเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่
แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังคงเป็นกระแสหลัก แต่ความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎียังมีจำกัดและยากที่จะตอบสนองความต้องการในอนาคตอย่างแท้จริง บทความนี้จะอธิบายสถานะการพัฒนาของแบตเตอรี่ แนวโน้มการพัฒนาเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ และทิศทางการพัฒนาของเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่หลักสี่ประการ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ภายใต้พื้นหลังมหภาคของความเป็นกลางคาร์บอนทั่วโลก ตลาดรถยนต์ไฟฟ้ามีการเติบโตอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้จำนวนการติดตั้งแบตเตอรี่พลังงานเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง กำลังการผลิตติดตั้งรวมของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกในปี 2565 จะเป็น 517.9GWh กำลังการผลิตติดตั้งแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าของจีนอยู่ที่ 294.6GWh คิดเป็น 56.8% ขนาดของตลาดครองอันดับหนึ่งของโลกและส่วนใหญ่ผลิตโดย 10 อันดับแรก โรงงานผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมของจีน
ขณะนี้มีสองเส้นทางหลักในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่พลังงาน: ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตและลิเธียมแบบไตรภาค อย่างไรก็ตาม เนื่องจากราคาวัตถุดิบต่างๆ ที่จำเป็นสำหรับการผลิตได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ต้นทุนจึงคิดเป็น 40% ถึง 50% ของยานพาหนะไฟฟ้า การลดต้นทุนและการเพิ่มประสิทธิภาพกลายเป็นความต้องการของผู้ผลิตรายใหญ่
สำหรับผู้บริโภค ความต้องการหลักคือระยะการเดินทางและความเร็วในการชาร์จที่รวดเร็ว ซึ่งต้องปรับปรุงความหนาแน่นของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง ดังนั้นความต้องการนวัตกรรมเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ความปลอดภัยสูง และต้นทุนต่ำ ปัจจุบัน ความหนาแน่นของพลังงานได้รับการส่งเสริมเป็นหลักผ่านการอัพเกรดระบบวัสดุที่มีอยู่และนวัตกรรมโครงสร้างซ้ำๆ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพ
วัสดุขั้วบวกกำลังพัฒนาให้มีปริมาณนิกเกิลสูงและค่อยๆ ลดปริมาณโคบอลต์และแมงกานีสลง
วัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคมักประกอบด้วยนิกเกิลโคบอลต์แมงกานีสหรืออลูมิเนียมนิกเกิลโคบอลต์ ในบรรดาวัตถุดิบโลหะ เช่น นิกเกิล โคบอลต์ และแมงกานีส (อลูมิเนียม) ทรัพยากรโคบอลต์ค่อนข้างหายากและกระจายไม่สม่ำเสมอ ปัจจุบัน จีนมีปริมาณสำรองโคบอลต์ที่พิสูจน์แล้วประมาณ 80,000 ตัน คิดเป็นประมาณ 1% ของปริมาณสำรองทั้งหมดของโลก และกำลัง ขึ้นอยู่กับการนำเข้าอย่างมาก ด้วยการระเบิดของยานพาหนะไฟฟ้า ราคาโคบอลต์ก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้นการลดปริมาณโคบอลต์ในวัสดุแบบไตรภาคจึงมีความสำคัญต่อการควบคุมต้นทุนโดยรวมของผู้ผลิตแคโทด
โคบอลต์มีบทบาทในการรักษาเสถียรภาพโครงสร้างของแบตเตอรี่แบบไตรภาคและไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า บทบาทของนิกเกิลคือการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานเชิงปริมาตรของวัสดุ ดังนั้นการลดปริมาณโคบอลต์ในขณะที่เพิ่มนิกเกิลจึงเป็นวิธีที่ดีในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่และลดต้นทุน บริษัทแบตเตอรี่พลังงานกระแสหลัก เช่น Panasonic, LG และ CATL ได้นำแบตเตอรี่ที่มีโคบอลต์ต่ำและไร้โคบอลต์มาเป็นแนวทางในการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่พลังงานยุคถัดไป
อย่างไรก็ตาม ปัญหาทางเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ เช่น ความปลอดภัยและการจับคู่อิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่แบบไตรภาคหลังการกำจัดโคบอลต์ยังคงต้องได้รับการแก้ไข ปัจจุบัน NCM811 (อัตราส่วนปริมาณนิกเกิล โคบอลต์ และแมงกานีสคือ 8:1:1) เป็นแบตเตอรี่แบบไตรภาคนิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีสที่มีปริมาณโคบอลต์ต่ำที่สุดที่ผลิตจำนวนมาก
วัสดุขั้วลบ เช่น ซิลิคอนเป็นทิศทางการพัฒนาในอนาคต และซิลิคอนคาร์บอนและซิลิคอนออกซิเจนเป็นเส้นทางทางเทคนิคหลัก
วัสดุขั้วลบเป็นหนึ่งในวัสดุหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นอยู่กับการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุขั้วลบในระดับหนึ่ง แอโนดของแบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท: วัสดุคาร์บอนและวัสดุที่ไม่ใช่คาร์บอน ในปัจจุบัน ตลาดวัสดุขั้วลบยังคงรักษาโครงสร้างผลิตภัณฑ์ที่โดดเด่นด้วยกราไฟท์เทียม และเสริมด้วยกราไฟท์ธรรมชาติ
จากมุมมองทางเทคนิค ขีดจำกัดบนของวัสดุขั้วลบกราไฟท์ไม่สามารถตอบสนองความต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นของยานพาหนะไฟฟ้าได้อีกต่อไป ซิลิคอนเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่พลังงาน ปัจจุบันทิศทางการพัฒนาหลักของวัสดุที่ใช้ซิลิกอนคือวัสดุคอมโพสิตซิลิกอนคาร์บอนและวัสดุคอมโพสิตซิลิกอนออกซิเจน
เมื่อความต้องการความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่กำลังเพิ่มขึ้น ระบบขั้วบวกซิลิคอน-คาร์บอนที่จับคู่กับวัสดุไตรภาคที่มีนิกเกิลสูงก็กลายเป็นแนวโน้มการพัฒนา ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ 4680 ของ Tesla ใช้อิเล็กโทรดบวกนิกเกิลสูง + วัสดุขั้วบวกซิลิคอนคาร์บอน บริษัทแบตเตอรี่ เช่น CATL, Panasonic, LG และ EVE Energy ล้วนมีแผนกำลังการผลิตสำหรับเทคโนโลยีพลังงานแบตเตอรี่ 4680 กระบอกสูบขนาดใหญ่ 4680 และเทคโนโลยีการชาร์จที่รวดเร็วคาดว่าจะช่วยเร่งการใช้อิเล็กโทรดขั้วลบที่ใช้ซิลิคอน
โครงสร้างพลังงานแบตเตอรี่กำลังสร้างนวัตกรรมไปสู่โมดูลขนาดใหญ่และไม่มีโมดูล
นอกเหนือจากการทำซ้ำวัสดุแล้ว นวัตกรรมด้านโครงสร้างยังเป็นอีกเส้นทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ โดยทั่วไประบบแบตเตอรี่พลังงานไฟฟ้าของรถยนต์ไฟฟ้าแบบเดิมเป็นแบบประกอบสามระดับของ “ชุดเซลล์-โมดูล-แบตเตอรี่” อย่างไรก็ตาม อัตราการใช้พื้นที่ของการกำหนดค่าโมดูลมีเพียง 40% ซึ่งจำกัดพื้นที่สำหรับส่วนประกอบอื่นๆ อย่างมาก
ดังนั้น ผู้ผลิตรายใหญ่จึงได้ทำการปรับปรุงโครงสร้างและลดความซับซ้อนในด้านต่างๆ เช่น เซลล์ โมดูล และวิธีการบรรจุภัณฑ์ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบแบตเตอรี่ การพัฒนาการรวมแบตเตอรี่ (CTP, CTC, CTB) ค่อยๆ กลายเป็นทิศทางการวิจัยและการใช้งานที่สำคัญในอุตสาหกรรม
เส้นทางเทคโนโลยี CTP ของ BYD นั้นใช้เทคโนโลยีลิเธียมเหล็กฟอสเฟตที่ทำได้ดีเซลล์แบตเตอรี่ได้รับการออกแบบให้เป็นรูปทรงแบนเพื่อให้สามารถจัดเรียงเซลล์แบตเตอรี่ไว้ใกล้กันและใส่เข้าไปในชุดแบตเตอรี่ได้เหมือน “ใบมีด” Blade battery ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของชุดแบตเตอรี่ให้มีปริมาตรเท่ากันได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการเปลี่ยนการออกแบบรูปทรงของเซลล์และการจัดเรียงเชิงพื้นที่ภายในชุดแบตเตอรี่
เส้นทางเทคโนโลยี CTP ของ CATL ขึ้นอยู่กับสถาปัตยกรรมลิเธียมแบบไตรภาคนิกเกิลสูง โดยมีหลักคือ การลดจำนวนโมดูลและสร้างชุดแบตเตอรี่มาตรฐานโดยตรงจากเซลล์ความจุขนาดใหญ่หลายเซลล์ ซึ่งสามารถซ้อนกันได้อย่างยืดหยุ่นเพื่อสร้างโมดูลแบตเตอรี่ที่ใหญ่ขึ้น เพื่อปรับให้เข้ากับรถรุ่นต่างๆ ความต้องการกักเก็บพลังงาน
โซลูชัน CTC ของ Tesla คือการจัดเรียงแบตเตอรี่ทรงกระบอก 4680 ก้อนไว้บนตัวรถโดยตรง ด้านหน้าและด้านหลังของช่องใส่แบตเตอรี่เชื่อมต่อโดยตรงกับการหล่อตัวถังขนาดใหญ่ 2 อัน ส่วนพื้นเดิมจะถูกกำจัดออกแล้วแทนที่ด้วยฝาครอบแบตเตอรี่ด้านบน เบาะนั่งอยู่โดยตรง ติดตั้งบนแบตเตอรี่ ฝาครอบ ก้อนแบตเตอรี่เป็นทั้งตัวพากักเก็บพลังงานและตัวโครงสร้างเอง
เส้นทางเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่กำลังพัฒนาในรูปแบบที่หลากหลาย
ปริมาณสำรองทรัพยากรลิเธียมทั่วโลกนั้นมีจำกัด และการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกจำกัดเนื่องจากการขาดแคลนทรัพยากรลิเธียมในระยะยาว ในปี 2021 หน่วยงานรัฐบาลจีนที่เกี่ยวข้องชี้ให้เห็นว่าการจัดเก็บพลังงานใหม่เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญและอุปกรณ์พื้นฐานที่รองรับระบบไฟฟ้าใหม่ ความคิดเห็นดังกล่าวเรียกร้องให้มีการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่หลากหลาย
ปริมาณสำรองโซเดียมมีมากมาย มากกว่าทรัพยากรลิเธียมถึง 423 เท่า ทรัพยากรลิเธียมมีมูลค่าเกือบ 500,000 หยวน/ตัน ในขณะที่ทรัพยากรโซเดียมน้อยกว่า 5,000 หยวน/ตัน เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ต้นทุนของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถลดลงได้ 30%-40% อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือความหนาแน่นของพลังงานแย่กว่าลิเธียมไอออนแบบไตรภาค ซึ่งเหมาะสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่ไม่ต้องการความหนาแน่นพลังงานสูงและไวต่อต้นทุนมากกว่า
บริษัทต่างๆ เช่น CATL, BYD, Haina battery และ Xingkong Sodium battery ต่างก็มีแผนสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ในอนาคต คาดว่าจะมีการสร้างรูปแบบเสริมของแบตเตอรี่โซเดียมและลิเธียม
แบตเตอรี่โซลิดสเตตมีข้อดีคือประสิทธิภาพความปลอดภัยสูงและมีความหนาแน่นของพลังงานสูง การใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเพื่อทดแทนสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ในแบตเตอรี่ลิเธียมปัจจุบันสามารถกักเก็บพลังงานได้อย่างปลอดภัยและหนาแน่นมากขึ้น ไม่ต้องพึ่งพาตัวแยกและอิเล็กโทรไลต์ของเหลวอีกต่อไป และลดปริมาณของชุดพลังงานแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ของแบตเตอรี่โซลิดสเตตยังไม่สมบูรณ์โดยมีต้นทุนการผลิตสูงและความยากลำบากในการเตรียมวัสดุหลักอุตสาหกรรมยังอยู่ในขั้นตอนของการพัฒนาจากกึ่งแข็งไปจนถึงของแข็งเต็มรูปแบบและขนาดใหญ่ที่แท้จริง เชิงพาณิชย์คาดว่าจะเกิดขึ้นหลังปี 2568-2573
แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ความจุสูงแห่งอนาคตที่มีแนวโน้มว่าจะนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์มากที่สุด ใช้ความจุจำเพาะของซัลไฟด์ตามทฤษฎีที่สูงมาก (1675 mAh/g) และคาดว่าจะเพิ่มความจุจำเพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ 3-5 เท่า อย่างไรก็ตาม กระบวนการละลาย-ตกตะกอนของอะตอมกำมะถันในขั้วกำมะถันจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรและการปิดตัวของโพลีซัลไฟด์ ส่งผลให้วงจรมีเสถียรภาพต่ำ ซึ่งปัจจุบันสามารถทำได้เพียง 100-300 สัปดาห์เท่านั้น
การพัฒนาล่าสุดคือการใช้โครงแซนด์วิชและตัวเร่งปฏิกิริยาสามมิติเพื่อควบคุมกระบวนการละลายของกำมะถัน รายงานที่เกี่ยวข้องสามารถบรรลุรอบ 500-1,000 รอบ ปัญหาหลักอยู่ที่การรักษาสมดุลของกำลังการผลิตเฉพาะสูงกับวงจรชีวิตที่ยาวนาน บริษัทที่เกี่ยวข้องกัน OXIS Energy และ Sion Power ได้เปิดตัวแบตเตอรี่ทดลอง โดยแบบแรกใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว และแบบหลังใช้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ และคาดว่าจะเริ่มจำหน่ายเชิงพาณิชย์ได้ภายใน 5-10 ปี
หลักการของแบตเตอรี่ลิเธียม – ซัลเฟอร์: ขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ใช้ขั้วลบกำมะถันโดยใช้ประโยชน์จากความสามารถเฉพาะทางทางทฤษฎีสูงของกำมะถัน ขั้วบวกใช้โลหะลิเธียม ในระหว่างกระบวนการชาร์จกำมะถันจะลดลงเป็น ลิเธียมไอออนและฝังอยู่ในขั้วลบ ในระหว่างการคายประจุ ลิเธียมไอออนจะแยกออกและออกซิไดซ์กำมะถัน อิเล็กโทรไลต์มักจะใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวอินทรีย์หรืออิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์
หากประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ ก็จะใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าและตลาดกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่เป็นหลัก ในด้านยานพาหนะไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์มีความจุเฉพาะทางทฤษฎี 3-5 เท่า ช่วยให้ยานพาหนะไฟฟ้าบริสุทธิ์สามารถบรรลุระยะการล่องเรือที่เทียบได้กับรถยนต์เชื้อเพลิงที่มีอยู่ โดยตระหนักถึงการพัฒนาในเชิงลึกของการใช้พลังงานไฟฟ้าของยานพาหนะ และเป็นที่คาดหวัง จะกลายเป็นแบตเตอรี่กระแสหลักหลังจากปี 2030 ในตลาดการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่
ข้อดีของแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ที่มีต้นทุนต่ำและมีความจุเฉพาะสูงนั้นคาดว่าจะช่วยลดเกณฑ์ทางเทคนิคลงอย่างมาก และช่วยให้พลังงานหมุนเวียนสามารถเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าได้มากขึ้น
แบตเตอรี่โลหะ-อากาศใช้ปฏิกิริยาที่ขั้วลบของโลหะออกซิไดซ์และปล่อยอิเล็กตรอนในอากาศ และความจุจำเพาะทางทฤษฎีของแบตเตอรี่นั้นเกินกว่าความจุของระบบ Li-ion ใดๆ ที่รู้จักมากกว่า 10 เท่า อย่างไรก็ตาม ออกไซด์ในขั้วลบของโลหะจะขัดขวางการโยกย้าย และก๊าซที่สร้างขึ้นจะต้องถูกระบายออก ส่งผลให้วงจรมีเสถียรภาพต่ำ การวิจัยล่าสุดได้รับการปรับปรุงโดยใช้แคลเซียมหรือแมกนีเซียมแอโนด และเอกสารที่เกี่ยวข้องรายงานว่าคาดว่าจะถึง 1,000 สัปดาห์ในอนาคต
ความท้าทายหลักอยู่ที่การเตรียมอิเล็กโทรดอากาศที่มีรูพรุนที่มีประสิทธิภาพ และการป้องกันการใช้แอโนด PolyPlus Battery ได้พัฒนาแบตเตอรี่ Li-air ที่กำลังทดสอบ และ Phinergy ได้เดินทางมากกว่า 15,000 กิโลเมตรด้วยรถแนวคิดแบตเตอรี่ Al-air คาดว่าการผลิตเชิงพาณิชย์เป็นชุดขนาดเล็กจะเริ่มตั้งแต่ปี 2565 ถึง 2568
หลักการของแบตเตอรี่โลหะ: ขั้วบวกของแบตเตอรี่โลหะ-อากาศคือขั้วลบโลหะ ซึ่งโดยทั่วไปคือลิเธียม อลูมิเนียม ฯลฯ ขั้วลบคืออิเล็กโทรดอากาศ โดยใช้ออกซิเจนในอากาศเพื่อมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา
ในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ ออกซิเจนในอากาศจะลดลงเหลือขั้วบวก ในระหว่างการคายประจุ แอโนดจะถูกออกซิไดซ์ และไอออนของโลหะจะย้ายไปที่แคโทดและทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้างออกไซด์ของโลหะขณะปล่อยอิเล็กตรอน อิเล็กโทรไลต์เป็นตัวนำไอออนิกหรืออิเล็กโทรไลต์ลิเธียมไอออน
ความจุเฉพาะทางทางทฤษฎีที่สูงเป็นพิเศษทำให้เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีความจุสูงเฉพาะเจาะจงในอนาคตที่น่ามีแนวโน้มมากที่สุด รองจากเซลล์เชื้อเพลิงเท่านั้น หากจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ จะถูกนำไปใช้ในด้านยานพาหนะไฟฟ้าเป็นครั้งแรก ทำให้ระยะทางการล่องเรือของยานพาหนะไฟฟ้าบริสุทธิ์มากกว่า 1,000 กิโลเมตร ทำให้รูปแบบการเดินทางและรูปแบบการใช้รถยนต์ของผู้คนเปลี่ยนแปลงไปอย่างสิ้นเชิง
ประการที่สอง ต้นทุนจะลดลงด้วยการผลิตขนาดใหญ่ และยังมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในด้านการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่และอุปกรณ์จ่ายไฟแบบพกพา ซึ่งสามารถเพิ่มสัดส่วนการใช้พลังงานหมุนเวียนและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของผู้บริโภคได้อย่างมาก ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
แบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเพื่อปรับปรุงความปลอดภัย แต่ความต้านทานของอินเทอร์เฟซและความเร็วในการย้ายไอออนนั้นต่ำกว่าอิเล็กโทรไลต์ของเหลว ส่งผลให้สูญเสียความหนาแน่นของพลังงาน ความคืบหน้าล่าสุดใช้วัสดุอิเล็กโทรไลต์ใหม่ เช่น LLZO และอิเล็กโทรไลต์คอมโพสิตที่ใช้โพลีเมอร์ และเอกสารที่เกี่ยวข้องรายงานว่าการเคลื่อนย้ายไอออนและความยืดหยุ่นของอิเล็กโทรไลต์ของเหลวบรรลุผลสำเร็จแล้ว
ปัญหาหลักคือส่วนสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการปรับปรุงโดยการปรับเปลี่ยนส่วนต่อประสาน อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่พัฒนาโดย Lonic Materials ได้รับการทดสอบเป็นชุดเล็กๆ และคาดว่าจะเริ่มใช้ในอุปกรณ์สวมใส่ได้ในปี 2566 ส่วนอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ของ Solid Power ยังได้รับการพัฒนาพร้อมกันและจะใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าในปี 2568
หลักการของแบตเตอรี่โซลิดสเตต: แบตเตอรี่โซลิดสเตตจะแทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือเจลด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ซึ่งลิเธียมไอออนสามารถเคลื่อนที่ได้โดยไม่ทำให้อิเล็กโทรไลต์ไหล เมื่อคายประจุ ไอออนลิเธียมจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง และเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์บนอิเล็กโทรด ขับเคลื่อนการไหลของอิเล็กตรอนในวงจรภายนอกและปล่อยพลังงานไฟฟ้าออกมา ขณะชาร์จแบตเตอรี่ แหล่งพลังงานภายนอกจะขับเคลื่อนกระแสให้ไหลในทิศทางตรงกันข้าม ลิเธียมไอออนจะย้ายจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรไลต์ผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง และปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นบนอิเล็กโทรดทั้งสองเพื่อกักเก็บพลังงานไฟฟ้า
แบตเตอรี่โซลิดสเตตมีความปลอดภัยสูงและความจุเฉพาะทางทฤษฎีนั้นต่ำกว่าแบตเตอรี่เหลวเพียงเล็กน้อยเท่านั้น หลังจากเชิงพาณิชย์ พื้นที่ที่ต้องการคือยานพาหนะไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ในด้านยานยนต์ แบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถแก้ปัญหาอันตรายจากไฟไหม้ได้อย่างสมบูรณ์ และปรับปรุงประสบการณ์การขับขี่ ในตลาดเครื่องใช้ไฟฟ้า อายุการใช้งานแบตเตอรี่ของโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปสามารถปรับปรุงได้อย่างมาก นอกจากนี้ แบตเตอรี่โซลิดสเตตยังสามารถใช้แทนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาขนาดเล็กส่วนใหญ่ได้โดยตรง และมีศักยภาพในการใช้งานที่สำคัญ
แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนิดใหม่ในฐานะแหล่งพลังงานสีเขียวจึงมีศักยภาพในการพัฒนาและโอกาสในการใช้งานที่ดีเยี่ยม หลักการทำงานของมันคือเมื่อแบตเตอรี่หมดประจุลิเธียมไอออนจะเคลื่อนจากอิเล็กโทรดเชิงลบไปยังอิเล็กโทรดบวกผ่านอิเล็กโทรไลต์และเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน เมื่อทำการชาร์จ ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนที่จากอิเล็กโทรดบวกไปยังอิเล็กโทรดลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ และเกิดปฏิกิริยารีดักชันขึ้น เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตใช้ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นวัสดุแคโทด ความเสถียรทางความร้อนและความปลอดภัยสูงเป็นข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดและความจุตามทฤษฎียังสูงกว่าถึง 170mAh/g
หลักการของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต: เมื่อปล่อยออกมา ลิเธียมไอออนของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตจะไหลจากอิเล็กโทรดลบไปยังอิเล็กโทรดบวก และปฏิกิริยาการลดออกซิเดชั่นเกิดขึ้นที่ขั้วทั้งสอง ขับอิเล็กตรอนให้ไหลในวงจรภายนอกและ ปล่อยพลังงานไฟฟ้า เมื่อทำการชาร์จ ทิศทางของกระแสไฟที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานภายนอกจะกลับกัน ลิเธียมไอออนจะไหลจากอิเล็กโทรดบวกกลับไปยังอิเล็กโทรดลบ และปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นที่ขั้วทั้งสองเพื่อกักเก็บพลังงานไฟฟ้า เป็นการโยกย้ายของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วทั้งสองและปฏิกิริยารีดอกซ์ที่เกิดขึ้นซึ่งช่วยให้แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตสามารถส่งออกและกักเก็บไฟฟ้าได้
อย่างไรก็ตาม ขณะนี้มีปัญหาทางเทคนิคบางประการที่ต้องแก้ไขในแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ประการแรก ความจุจริงมักจะเข้าถึงได้เพียง 60-70% ของความจุทางทฤษฎีเท่านั้น และประสิทธิภาพการชาร์จและคายประจุต่ำ ซึ่งจำกัดการใช้งานจริง ประการที่สอง กระบวนการสังเคราะห์ของวัสดุแคโทดลิเธียมเหล็กฟอสเฟตค่อนข้างซับซ้อนและมีต้นทุนสูง ซึ่งทำให้ต้นทุนโดยรวมของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตสูงเกินไปและยากต่อการจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในขนาดใหญ่
เพื่อตอบสนองต่อปัญหาที่มีอยู่ นักวิชาการกำลังดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ตัวอย่างเช่น โดยการเปลี่ยนสารตั้งต้นและสารเติมแต่งเพื่อปรับสัณฐานวิทยาให้เหมาะสมและลดการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของลิเธียมเหล็กฟอสเฟต หรือใช้กราฟีนแอโนดใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า ปัจจุบัน บริษัทต่างๆ เช่น A123 Systems, BYD, LG Chem และ Samsung SDI กำลังพัฒนาและผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตอย่างแข็งขัน Tesla ยังได้ลงทุนทรัพยากรจำนวนมากในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตใหม่
หากการวิจัยและพัฒนาในอนาคตประสบความสำเร็จในการลดต้นทุนและปรับปรุงประสิทธิภาพ แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตคาดว่าจะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น ยานพาหนะไฟฟ้าและการจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ มีข้อได้เปรียบในด้านความปลอดภัยสูง ความหนาแน่นของพลังงานสูง และการปกป้องสิ่งแวดล้อม และคาดว่าจะปรับปรุงปัญหาด้านความปลอดภัยและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่ในสาขาการใช้งานเหล่านี้
กล่าวโดยสรุป แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนิดใหม่ที่มีศักยภาพสูงและยังมีเทคโนโลยีด้านพลังงานแบตเตอรี่ที่ยังไม่ได้ค้นพบมากมายซึ่งคุ้มค่าสำหรับการวิจัยและพัฒนาในเชิงลึกและให้ความสนใจในอนาคต
