วัสดุขั้วลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-โซเดียม

วัสดุขั้วลบ – หนึ่งในแกนของแบตเตอรี่ลิเธียม-โซเดียม

ในฐานะที่เป็นหนึ่งในวัสดุหลักสำหรับพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียม วัสดุขั้วลบคิดเป็นประมาณ 10% ของต้นทุนแบตเตอรี่ ส่วนใหญ่ประกอบด้วยวัสดุที่ใช้งานของขั้วลบ สารยึดเกาะ และสารเติมแต่ง จากนั้นจึงกระจายอย่างสม่ำเสมอทั้งสองด้านของฟอยล์ทองแดง แห้งและรีด ซึ่งสามารถย้อนกลับได้ ถอด/แทรกซ้อน ลิเธียมไอออนและเก็บพลังงาน ชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม ประสิทธิภาพดังกล่าว

เนื่องจากประสิทธิภาพและความหนาแน่นของความจุมีบทบาทชี้ขาด ราคาของทรัพยากรลิเธียมยังคงเพิ่มสูงขึ้น และความได้เปรียบด้านต้นทุนช่วยเร่งความเร็วของการผลิตแบตเตอรี่โซเดียมในเชิงอุตสาหกรรม ด้วยการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและการระบาดของตลาดรถยนต์ไฟฟ้า ราคาของวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมที่แสดงโดยลิเธียมคาร์บอเนตยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ในปัจจุบัน ราคาเฉลี่ยของลิเธียมคาร์บอเนตเกรดแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเป็นมากกว่า 500,000 หยวน/ตัน ซึ่งก็คือ สูงกว่า 40,000 หยวนเมื่อ 2 ปีก่อนมาก แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีต้นทุนสูงได้ส่งเสริมรูปแบบเร่งรัดของห่วงโซ่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียม การพัฒนาอุตสาหกรรมของโซเดียมไฟฟ้ากำลังใกล้เข้ามา และวัสดุขั้วลบได้กลายเป็นกุญแจสำคัญในการพัฒนาอุตสาหกรรม

สำหรับมีวัสดุขั้วลบของแบตเตอรี่ลิเธียมมีหลายชนิด ตามวัสดุ Active ที่ใช้ ส่วนใหญ่จะแบ่งออกเป็น 2 ประเภท ได้แก่ วัสดุคาร์บอนและวัสดุที่ไม่ใช่คาร์บอน ในแบตเตอรี่ลิเธียมวัสดุใดที่คู่ควรกับความรับผิดชอบที่ยิ่งใหญ่ ความแตกต่างระหว่างวัสดุขั้วลบที่ใช้ในแบตเตอรี่โซเดียมที่ได้รับความสนใจมากกับแบตเตอรี่ลิเธียมอะไรคือ บทความนี้จะให้คำตอบ

วัสดุขั้วลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม

①ขั้วลบกราไฟท์

ตอนนี้ กราไฟต์ได้รับการยอมรับว่าเป็นวัสดุขั้วลบที่เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 95% ของส่วนแบ่งตลาด ขั้วลบกราไฟต์สามารถแบ่งออกได้อีก 2 ประเภท ได้แก่ กราไฟต์ธรรมชาติและกราไฟต์ประดิษฐ์ ในการเปรียบเทียบ กราไฟต์ประดิษฐ์จะดีกว่า

จากมุมมองของความจุกรัม ความจุของกราไฟท์ธรรมชาติจะสูงกว่ากราไฟท์เทียมเล็กน้อย ความจุทางทฤษฎีของวัสดุขั้วลบกราไฟท์ธรรมชาติคือ 340-370mAh/g และความจุทางทฤษฎีของวัสดุขั้วลบกราไฟท์เทียมคือ 310-360mAh/ กรัม

จากมุมมองของประสิทธิภาพของวงจร ประสิทธิภาพของวงจรของกราไฟท์เทียมนั้นดีกว่าของกราไฟท์ธรรมชาติ จากข้อมูลของ Betray วงจรของกราไฟท์ธรรมชาติอยู่ที่ประมาณ 500 รอบ และรอบของกราไฟท์เทียมสามารถไปถึง 6,000 รอบ สาเหตุหลักคืออนุภาคของกราไฟต์ธรรมชาติขนาดไม่สอดคล้องกันและมีข้อบกพร่องที่พื้นผิวจำนวนมากจึงทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ได้ง่ายทำให้ประสิทธิภาพของวงจรลดลง

จากมุมมองของอัตราการขยายตัว อัตราการขยายตัวของกราไฟต์ธรรมชาติจะสูงกว่ากราไฟต์เทียม เหตุผลหลักคือกราไฟต์เกล็ดมีระดับสูงของผลึก โครงสร้างแผ่นขนาดใหญ่ และแอนไอโซโทรปีที่ชัดเจน ดังนั้นลิเธียมอินเทอร์คาเลชันและดีอินเทอร์คาเลชัน ประมวลผลการเปลี่ยนแปลงปริมาณมาก

จากมุมมองของต้นทุนการผลิตและราคาขาย ต้นทุนและราคาขายของกราไฟต์เทียมสูงกว่ากราไฟต์ธรรมชาติ สาเหตุหลักมาจากกระบวนการสร้างกราฟ ในแง่ของแนวโน้ม กราไฟต์เทียมจะเข้ามาแทนที่กราไฟท์ธรรมชาติ และส่วนแบ่งการตลาดของ กราไฟท์เทียมจะเป็น 84% ในปี 2565 % ส่วนแบ่งการตลาดของกราไฟท์ธรรมชาติคือ 15%

②ขั้วลบซิลิคอนคาร์บอน

เนื่องจากความจุเฉพาะของวัสดุกราไฟต์ใกล้เคียงกับขีดจำกัดความจุเฉพาะทางทฤษฎีที่ 372mAh/g พื้นที่สำหรับการปรับปรุงเพิ่มเติมจึงมีจำกัด ซึ่งจำกัดการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสิทธิภาพสูง วัสดุขั้วลบที่มีส่วนประกอบของซิลิคอนถือเป็นวัสดุขั้วลบยุคถัดไปที่มีแนวโน้มมากที่สุด เนื่องจากมีความจุทางทฤษฎีสูง มีศักยภาพในการสกัดลิเธียมต่ำ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีปริมาณสำรองเหลือเฟือ

เมื่อ Tesla BMW และบริษัทรถยนต์อื่น ๆ ประกาศความร่วมมือกับแบตเตอรี่ 4680 ซีรีส์ 4680 แบตเตอรี่ซีรีส์ 4680 ได้ดึงดูดความสนใจของตลาดแบตเตอรี่พลังงาน วัสดุที่ใช้ซิลิคอนเป็นวัสดุขั้วลบที่เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ซีรีส์ 4680 ได้รับการพิจารณาจากตลาดว่าเป็นทิศทางหลักของวัสดุขั้วลบรุ่นต่อไป

③ขั้วลบโลหะลิเธียม

ทิศทางการวิจัยหลักของแบตเตอรี่โลหะลิเธียม ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ แบตเตอรี่ลิเธียมออกซิเจน และแบตเตอรี่ลิเธียมคาร์บอนไดออกไซด์ ประวัติของแบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถันสามารถย้อนไปถึงปี 1962 และความหนาแน่นของพลังงานตามทฤษฎีสามารถสูงถึง 2680Wh kg-1 ประกอบกับปริมาณสำรองของธาตุกำมะถันที่มีอยู่มากมายบนโลก ราคาต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม จึงถือเป็น ทางเลือกที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ไอออน

การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนสามารถย้อนไปถึงปี 1976 ความหนาแน่นของพลังงานสามารถเข้าถึง 3505Wh kg-1 ซึ่งใกล้เคียงกับความหนาแน่นพลังงานของน้ำมันเชื้อเพลิง และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาคือน้ำ

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจนประสบปัญหา เช่น ความเสถียรต่ำของวัสดุขั้วลบขั้วบวก อิเล็กโทรไลต์ที่มีศักยภาพสูงเกิน ไม่เสถียรและระเหยง่าย และความปลอดภัยของอิเล็กโทรดลิเธียมขั้วลบ ต้นกำเนิดของแบตเตอรี่ลิเธียม-คาร์บอนไดออกไซด์นั้นมาจากการเติมคาร์บอนไดออกไซด์ลงในแบตเตอรี่ลิเธียม-ออกซิเจน เพื่อเพิ่มความสามารถในการคายประจุและความหนาแน่นของพลังงาน

ในปี 2014 มีรายงานแบตเตอรี่ลิเธียม-คาร์บอนไดออกไซด์แบบชาร์จซ้ำได้ที่อุณหภูมิห้องเป็นครั้งแรกซึ่งพิสูจน์ให้เห็นว่าก๊าซเรือนกระจกสามารถดักจับและใช้เป็นสื่อเก็บพลังงานที่มีค่าได้ ตั้งแต่นั้นมา แบตเตอรี่ลิเธียม-คาร์บอนไดออกไซด์ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางและวิจัย

วัสดุขั้วลบสำหรับแบตเตอรี่โซเดียม

ในปัจจุบัน การเลือกวัสดุขั้วลบสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมส่วนใหญ่รวมถึงวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ วัสดุตามปฏิกิริยาการเปลี่ยนรูปและโลหะผสม วัสดุอินทรีย์ ออกไซด์ของโลหะและเส้นทางทางเทคนิคอื่น ๆ วัสดุที่ใช้คาร์บอนมีแหล่งที่มาที่หลากหลายและการจัดเก็บโซเดียมที่แข็งแกร่ง ความจุและได้กลายเป็นตัวเลือกหลักในปัจจุบัน

วัสดุที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบสามารถแบ่งออกเป็นคาร์บอนแข็งและคาร์บอนอ่อนตามว่าจะถูกทำให้เป็นกราฟหรือไม่หลังจากการบำบัดที่อุณหภูมิสูง วัสดุฮาร์ดคาร์บอนมีตำแหน่งที่ใช้งานมากขึ้นสำหรับการจัดเก็บโซเดียม ความจุเฉพาะสูง การขยายตัวของปริมาตรเล็กน้อยหลังจากการแทรกโซเดียม ความปลอดภัยที่ดี และโครงสร้างที่มั่นคง ข้อได้เปรียบเทียบอย่างชัดเจน

ผู้ผลิตในจีนกำลังเร่งปรับใช้กำลังการผลิตคาร์บอนแข็งคาดว่า หลังจากการผลิตจำนวนมากแล้ว จะลดต้นทุนและเพิ่มความได้เปรียบด้านต้นทุนของแบตเตอรี่โซเดียมมากขึ้น

①ชีวมวล

วัตถุดิบสารตั้งต้นชีวมวลส่วนใหญ่ประกอบด้วยกะลามะพร้าว ฟาง ไม้ไผ่โมโซ เปลือกวอลนัท น้ำตาล แป้ง ฯลฯ สารตั้งต้นที่เป็นเรซินส่วนใหญ่ใช้ฟีนอลเรซิน อีพอกซีเรซิน และวัตถุดิบอื่นๆ สารตั้งต้นจากปิโตรเลียมใช้ยางมะตอยและเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่น ๆ เป็นวัตถุดิบ วัสดุคาร์บอนแข็งที่เตรียมโดยสารตั้งต้นที่แตกต่างกันจะแสดงเส้นโค้งการปลดปล่อยประจุที่คล้ายกัน แต่ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าจะแตกต่างกันมาก

เส้นทางชีวมวลมีทั้งข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพสูงและต้นทุนต่ำ และปัจจุบันเป็นแนวทางที่ผู้ผลิตแอโนดส่วนใหญ่กำลังวางแผน วัสดุขั้วลบที่เป็นคาร์บอนแข็งจากชีวมวลสามารถเตรียมได้โดยกระบวนการไพโรไลซิสของสารตั้งต้นที่เป็นคาร์บอนส่วนใหญ่ วัตถุดิบมาจากหลากหลายแหล่งและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลพลอยได้หรือของเสียในกระบวนการผลิตภาคอุตสาหกรรมและเกษตรกรรม

โดยเฉพาะอย่างยิ่งฮาร์ดคาร์บอนที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งสกัดจากของเสียจากชีวมวลของโรงงานมีราคาถูกและหาซื้อได้ง่าย และกระบวนการสังเคราะห์ก็มีความหลากหลาย การใช้มันเป็นแหล่งคาร์บอนเพื่อเตรียมวัสดุโซเดียมไอออนแอโนดคาดว่าจะทำให้ได้ของเสียชีวมวลมูลค่าสูงที่ใช้บำบัดของเสีย ด้วยการใช้ของเสีย

②ฐานเรซิ่น

ฐานเรซินเป็นสารตั้งต้นที่ยอดเยี่ยมสำหรับการเตรียมฮาร์ดคาร์บอน แต่มีราคาแพงและยากต่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม เมื่อเทียบกับชีวมวลและปิโตรเลียม โครงสร้างโมเลกุลของสารตั้งต้นที่มีเรซินค่อนข้างง่ายและควบคุมได้ และโครงสร้างโมเลกุลที่เกี่ยวข้องสามารถออกแบบได้ตามความต้องการ และโครงสร้างรูพรุนที่ปรับได้และตำแหน่งที่ใช้งานในระดับโมเลกุลสามารถสร้างได้อย่างแม่นยำ

ทำให้วัสดุคาร์บอนแข็งมีอัตราการไหลและประสิทธิภาพความเสถียรของรอบที่ดีขึ้น วัสดุคาร์บอนแข็งที่เตรียมโดยใช้สารตั้งต้นที่เป็นเรซินมีความจุกรัมสูง ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่ดี ความสม่ำเสมอที่ดี และข้อดีด้านประสิทธิภาพที่เห็นได้ชัด อย่างไรก็ตาม ราคาของสารตั้งต้นที่เป็นเรซินนั้นมีราคาสูง และต้นทุนการผลิตจำนวนมากก็มีแรงกดดันสูง

③ฐานปิโตรเลียม

สารตั้งต้นจากปิโตรเลียมมีต้นทุนต่ำ หาวัตถุดิบได้ง่าย และมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างเห็นได้ชัด แต่ประสิทธิภาพของวัสดุคาร์บอนแข็งที่เตรียมไว้นั้นอยู่ในระดับปานกลาง และมีปัญหามลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม พิทช์ทำให้เป็นกราฟได้ง่ายในระหว่างการคาร์บอไนเซชันเพื่อสร้างโครงสร้างคล้ายกราไฟต์ ดังนั้นการเตรียมฮาร์ดคาร์บอนจากพิทช์จึงจำเป็นต้องมีการปรับสภาพก่อน

โดยปกติแล้ว สารเชื่อมขวางจะใช้เพื่อเชื่อมขวางพิตช์ เปลี่ยนโครงสร้างจุลภาค ขัดขวางการเจริญเติบโตของผลึกกราไฟต์ในกระบวนการไพโรไลติกคาร์บอไนเซชัน และดำเนินการกระบวนการคาร์บอไนเซชันในเฟสของแข็งเพื่อให้ได้วัสดุคาร์บอนแข็ง วิธีการมอดูเลตพิตช์อีกวิธีหนึ่ง วิธีการคือ วิธีก่อนออกซิเดชัน กล่าวคือ แอสฟัลต์จะถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้าโดยสารออกซิไดซ์ เพื่อให้ได้แอสฟัลต์ก่อนออกซิไดซ์ที่มีปริมาณออกซิเจนที่แน่นอน

เนื่องจากการมีอยู่ของเฮเทอโรอะตอมของออกซิเจน จึงยากสำหรับพิตช์ในการสร้างโครงสร้างที่สั่งระหว่างไพโรไลติกคาร์บอไนเซชัน ส่งผลให้วัสดุคาร์บอนแข็งมีโครงสร้างจุลภาคที่ไม่เป็นระเบียบ วัสดุคาร์บอนแข็งที่เตรียมจากพิทช์เบสมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนอย่างชัดเจน แต่ประสิทธิภาพของวัสดุฮาร์ดคาร์บอนที่ผลิตได้นั้นอยู่ในระดับปานกลาง และต้องใช้ความระมัดระวังเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมจากน้ำเสียและก๊าซไอเสีย

โอกาสใหม่สำหรับวัสดุขั้วลบ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พลังงานสะอาดได้รับความสนใจอย่างมาก และการลดคาร์บอนและความเป็นกลางของคาร์บอนได้กลายเป็นเป้าหมายของประเทศต่างๆ ทั่วโลก อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีแรงผลักดันที่ดีในการพัฒนา และวัสดุขั้วลบเชิงลบได้นำไปสู่โอกาสที่ไม่เคยมีมาก่อน เนื่องจากความต้องการความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้นของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ ประสิทธิภาพของวัสดุกราไฟต์และลิเธียมไททาเนตจึงได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมอย่างต่อเนื่อง

ในขณะเดียวกัน ซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุขั้วลบรุ่นต่อไปสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ก็กำลังค่อยๆ เริ่มเข้าสู่เชิงพาณิชย์ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องอัปเกรดมาตรฐานอิเล็กโทรดเชิงลบเดิม หรือแม้แต่รวบรวมมาตรฐานใหม่ เพื่อส่งเสริมการพัฒนาที่ดีและยั่งยืนของอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ผู้ผลิตแอโนดของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนของจีนได้เร่งการติดตั้ง และเส้นทางชีวมวลได้กลายเป็นทางเลือกหลักสำหรับวัสดุตั้งต้นในปัจจุบัน บริษัทแอโนด เช่น Baisige New Energy Shanshan และ XFH Technology ได้นำสิทธิบัตรมาใช้อย่างเต็มที่ในด้านการผลิตฮาร์ดคาร์บอน

นอกจากนี้ อุตสาหกรรมโซเดียมแบตเตอรี่และแบตเตอรี่ลิเธียมมีความคล้ายคลึงกันอย่างมากโดยได้รับประโยชน์จากห่วงโซ่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมที่เติบโตเต็มที่ในจีน ซึ่งได้แก่ รากฐานสำหรับความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการอัพเดท Iteration ให้เงื่อนไขที่ดี