อุตสาหกรรมของแบตเตอรี่โซลิดสเตทเร่งตัวขึ้น

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ของเหลว แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพหลายประการ เช่น ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า ความปลอดภัยที่สูงกว่า อายุวงจรที่ยาวนานกว่า และประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำที่ดีกว่า ในแง่ของความหนาแน่นของพลังงาน แบตเตอรี่โซลิดสเตทสามารถให้พลังงานได้มากกว่า 400wh/kg ซึ่งเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ของเหลวที่มีอยู่

อิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ เนื่องจากไม่มีอิเล็กโทรไลต์เหลว ระบบวัสดุของแบตเตอรี่โซลิดสเตทจึงมีความเป็นไปได้มากกว่า เช่น การใช้โลหะลิเธียมสำหรับขั้วลบ ปัญหาด้านความปลอดภัย เช่น การรั่วไหลของของเหลวและการรั่วไหลของก๊าซสามารถหลีกเลี่ยงได้อีก และความร้อน ความเสถียรของแบตเตอรี่ดีกว่า ระดับ pack สามารถทำให้อุปกรณ์ที่ไม่จำเป็นง่ายขึ้น ซึ่งจะช่วยปรับปรุงปริมาณการใช้งาน บทความนี้จะแนะนำว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตทคืออะไร ข้อดีของแบตเตอรี่โซลิดสเตท และแนวโน้มอุตสาหกรรมของแบตเตอรี่โซลิดสเตท

แบตเตอรี่โซลิดสเตทคืออะไร

แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตหมายถึงแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้อิเล็กโทรไลต์แบบแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิม ตามปริมาณของอิเล็กโทรไลต์แบบแข็ง สามารถแบ่งออกเป็นแบตเตอรี่แบบกึ่งแข็งและแบตเตอรี่แบบแข็งทั้งหมด โดยปกติแล้ว เราใช้ปริมาณของเหลว 10% ในแบตเตอรี่เป็นเส้นแบ่งเพื่อแยกความแตกต่างของแบตเตอรี่กึ่งของแข็งและแบตเตอรี่ของเหลว ในขณะที่แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมดจะใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งโดยสมบูรณ์ และปริมาณของเหลวจะลดลงเหลือ 0%

แบตเตอรี่เหลวใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวเพื่อขนส่งไอออนและผลิตกระแสไฟฟ้า ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ ลิเธียมไอออนจะแทรก/ดีอินเทอร์คาเลตและอินเทอร์คาเลต/ดีอินเทอร์คาเลตกลับไปกลับมาระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ และตัวแยกที่อยู่ตรงกลางจะใช้ในการแยกขั้วบวกและขั้วลบเพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจร แบตเตอรี่โซลิดสเตทใช้อิเล็กโทรดที่เป็นของแข็งและอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ดังนั้นจึงหลีกเลี่ยงอันตรายด้านความปลอดภัย เช่น การลัดวงจรที่เกิดจากการสัมผัสขั้วบวกและขั้วลบ

ข้อดีของแบตเตอรี่โซลิดสเตท

รถยนต์ไฟฟ้ามีความต้องการอย่างมากสำหรับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนาน โดยต้องมีการปรับปรุงความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างต่อเนื่อง ตามสูตร: ระยะทางขับขี่ = พลังงานที่มีอยู่/การสิ้นเปลืองพลังงาน ภายใต้เงื่อนไขที่ว่าการใช้พลังงานเท่าเดิมยังคงที่ และปริมาตรและน้ำหนักของแบตเตอรี่ถูกจำกัดอย่างเข้มงวด

ระยะทางสูงสุดเดียวของรถยนต์พลังงานใหม่จะขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เป็นหลัก ดังนั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุของแบตเตอรี่ลิเธียมจึงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น

ความหนาแน่นของพลังงานสูง

ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่โซลิดสเตทคาดว่าจะเกิน 400wh/kg ซึ่งเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่เหล็ก-ลิเธียมในปัจจุบัน ในปัจจุบัน ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตอยู่ที่ประมาณ 200wh/kg ซึ่งสอดคล้องกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ 300-500km

ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ ternary อยู่ที่ประมาณ 250wh/kg ซึ่งสอดคล้องกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ 500-700km อย่างไรก็ตาม หากแบตเตอรี่โซลิดสเตทใช้ระบบวัสดุไตรภาคที่มีนิกเกิลสูง + โลหะลิเธียม ความหนาแน่นของพลังงานคาดว่าจะเกิน 400Wh/กก. และอายุการใช้งานแบตเตอรี่จะดีขึ้นอย่างมาก

แบตเตอรี่โซลิดสเตทสามารถติดตั้งวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบและวัสดุอิเล็กโทรดแรงดันสูงที่มีปริมาณกิจกรรมและความจุกรัมสูงกว่า ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปัจจัยสองประการ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานและความจุกรัมของวัสดุบวกและลบ

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมทำงาน แรงดันแบตเตอรี่จะลดลงเมื่อพลังงานลดลง หากเงื่อนไขอื่นๆ ไม่เปลี่ยนแปลง เวลาทำงานของไฟฟ้าแรงสูงจะยาวนานกว่าของแรงดันต่ำภายใต้กระแสไฟฟ้าเดียวกันอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นจึงมีความจุที่สูงกว่าตามลำดับ ความจุกรัมของวัสดุหมายถึงกระแสไฟฟ้าที่มีอยู่ในวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมแต่ละกรัม และยิ่งความจุกรัมมาก ความหนาแน่นของพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้น

● แบตเตอรี่โซลิดสเตทมีหน้าต่างไฟฟ้าเคมีที่กว้างและสามารถปรับให้เข้ากับอิเล็กโทรดพลังงานสูงได้ หน้าต่างเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์เท่ากับช่วงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดโดยปฏิกิริยารีดักชันที่ขั้วลบและปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วบวก อิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดสเตตมีหน้าต่างไฟฟ้าเคมีขนาดใหญ่ และความสามารถในการต้านทานการลดลงของอิเล็กโทรดลบและการเกิดออกซิเดชันของอิเล็กโทรดบวกนั้นแข็งแกร่ง และสามารถจับคู่วัสดุอิเล็กโทรดกับอิเล็กโทรดบวกที่สูงกว่าและอิเล็กโทรดลบที่ต่ำกว่า

ดังนั้นจึงได้ผลลัพธ์ที่สูงขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ ในทางทฤษฎี แรงดันไฟฟ้าของวัสดุที่ใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตทสามารถสูงถึง 5V ในปัจจุบัน แรงดันใช้งานของวัสดุแคโทดกระแสหลักในตลาดอยู่ในช่วง 3.2-3.8V ในขณะที่วัสดุแคโทดที่มีแมงกานีสเป็นส่วนประกอบของลิเธียมซึ่งใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตทสามารถสูงถึง 4.5V

● เนื่องจากตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยาทางเคมีของแบตเตอรี่อยู่ที่ขั้วบวกและขั้วลบเป็นหลัก ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่จึงแยกไม่ออกจากวัสดุขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบ ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมเข้าสู่ช่วงคอขวด วัสดุขั้วลบส่วนใหญ่เป็นกราไฟต์ ความจุกรัมตามทฤษฎีของกราไฟต์คือ 370mAh/g และวัสดุอิเล็กโทรดบวก ternary วัสดุนิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีส (NCM) อยู่ที่ประมาณ 200mAh/ ช.

ในปัจจุบัน การรวมกันของขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ของเหลวในตลาดคือ ไตรภาคที่มีนิกเกิลสูง + กราไฟต์เทียม และขีด จำกัด ของความจุกรัมสามารถสูงถึง 357mAh/g แบตเตอรี่โซลิดสเตทสามารถใช้กับวัสดุแอโนดที่มีลิเธียมอุดมด้วยแมงกานีส + ซิลิกอนคาร์บอนที่มีความจุสูงกว่า และขีดจำกัดความจุกรัมสามารถเกิน 500mAh/g

ความปลอดภัยสูง

เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลวแล้ว อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสามารถแก้ปัญหาด้านความปลอดภัย เช่น การรั่วไหลและการระเหยได้ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งมีจุดติดไฟสูงมาก การแทนที่อิเล็กโทรไลต์แบบเหลวด้วยวัสดุอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งจะช่วยเพิ่มความปลอดภัยได้อย่างมีประสิทธิภาพ

แบตเตอรี่ลิเธียมเหลวที่ล้ำสมัยในปัจจุบันประกอบด้วยอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนและตัวคั่น อิเล็กโทรดเคลือบอยู่บนตัวสะสมกระแสไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยวัสดุที่เป็นตัวนำไฟฟ้า สารรีเอเจนต์ และสารยึดเกาะ การถ่ายโอนไอออนจำเป็นต้องผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยตัวทำละลายอินทรีย์แบบ aprotic และเกลือนำไฟฟ้า ข้อกังวลด้านความปลอดภัยหลายประการในปัจจุบันมีสาเหตุมาจากความสามารถในการติดไฟของตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์เหลว การเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์เหลวอินทรีย์แบบดั้งเดิมด้วยอิเล็กโทรไลต์แข็งสามารถแก้ปัญหาด้านความปลอดภัยที่เกิดจากการรั่วไหลและการระเหยของอิเล็กโทรไลต์ได้

น้ำหนักเบา

แบตเตอรี่โซลิดสเตทไม่ต้องการอิเล็กโทรไลต์และตัวคั่น และสามารถได้อิเล็กโทรดบวกหลายชั้น อิเล็กโทรไลต์แข็ง และวัสดุอิเล็กโทรดลบ ขั้นแรกให้เชื่อมต่อเป็นอนุกรม จากนั้นจึงบรรจุหีบห่อและเชื่อม ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของบรรจุภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดน้ำหนักและปริมาตรของแบตเตอรี่โดยรวม และเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่

อายุการใช้งานยาวนานขึ้น

อิเล็กโทรไลต์ในสถานะของแข็งเป็นตัวนำแบบไอออนเดี่ยวที่มีปฏิกิริยาข้างเคียงน้อยกว่าและวงจรชีวิตที่ยาวนานกว่า เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งไม่มีการไหล จึงไม่มีปัญหาการเติบโตซ้ำๆ และการละลายของฟิล์ม SEI ซึ่งช่วยให้ได้วัฏจักรที่เสถียร นอกจากนี้ โลหะทรานซิชันในแบตเตอรี่โซลิดสเตทล้วนไม่ละลายง่าย ซึ่งสามารถหลีกเลี่ยงการซีดจางของความจุของอิเล็กโทรดบวกที่เกิดจากการละลายของโลหะทรานซิชันและการสะสมของโลหะทรานซิชันที่ด้านอิเล็กโทรดลบ เพื่อกระตุ้นการสลายตัวของฟิล์ม SEI

บริษัทระดับโลกเข้าร่วมอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซลิดสเตท

ปัจจุบันแบตเตอรี่โซลิดสเตทยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และการพัฒนาทางอุตสาหกรรมยังต้องใช้เวลา มีการประเมินว่าการจัดส่งแบตเตอรี่โซลิดสเตทของจีนจะสูงถึง 251.1 กิกะวัตต์ชั่วโมงในปี 2573 และคาดว่าพื้นที่ตลาดในปี 2573 จะสูงถึง 2 หมื่นล้านหยวน

บริษัทรถยนต์พลังงานใหม่หลายแห่งทั่วโลกได้ประกาศแผนการติดตั้งแบตเตอรี่แบบกึ่งแข็ง และคาดว่าปี 2566 จะกลายเป็น “ปีแรกของการติดตั้งรถยนต์” บริษัทยักษ์ใหญ่ในต่างประเทศ เช่น BMW Mercedes-Benz Volkswagen และ Toyota ต่างก็วางแผนที่จะเปิดตัวรถยนต์ไฟฟ้าที่ติดตั้งแบตเตอรี่โซลิดสเตทประมาณปี 2568 Dongfeng NIO และ SERES ประกาศว่าพวกเขาจะติดตั้งแบตเตอรี่กึ่งแข็งในรถยนต์ในปีนี้ และบริษัทรถยนต์ เช่น DEEPLA IM Aion และ HIPHI มักจะวางแผนที่จะติดตั้งแบตเตอรี่กึ่งแข็งในรถยนต์ก่อนปี 2568

ภูมิภาคอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซลิดสเตทหลักทั่วโลก ได้แก่ ยุโรป อเมริกา ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และจีน ประเทศในยุโรปและอเมริกาส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่บริษัทผู้ประกอบการที่พัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตทโดยอิสระ ญี่ปุ่นและเกาหลีใต้ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาร่วมกันระหว่างบริษัทรถยนต์แบบดั้งเดิมและบริษัทแบตเตอรี่ อย่างรวดเร็ว

บริษัทตัวแทนในยุโรป อเมริกา ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และจีนกำลังส่งเสริมเค้าโครงของแบตเตอรี่โซลิดสเตทอย่างจริงจัง ในจำนวนนี้มีสตาร์ทอัพจำนวนมากในสหรัฐอเมริกา และบริษัทต่างๆ เช่น QuantumScape และ Solid Power ได้กลายเป็นกำลังหลักในอุตสาหกรรมผ่านความร่วมมือกับสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์

บริษัทในยุโรปส่วนใหญ่เป็นบริษัทรถยนต์ที่ลงทุนในสตาร์ทอัพ Volkswagen ลงทุน 100 ล้านดอลลาร์สหรัฐเพื่อจัดตั้งบริษัทร่วมทุนใหม่กับ QuantumScape BMW และ Solid Power ร่วมกันพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตทแบบใหม่ บริษัทญี่ปุ่นและเกาหลีมักจะร่วมมือกันเป็นกลุ่ม บริษัทญี่ปุ่น เช่น มิตซูบิชิ นิสสัน และพานาโซนิคได้จัดตั้งศูนย์ R&D ร่วมกันบนพื้นฐานของการดูแลทีม R&D ที่เป็นอิสระ

บริษัทแบตเตอรี่ชั้นนำสามแห่งของเกาหลีใต้ ได้แก่ LG Chem, Samsung SDI และ SKI ได้ก่อตั้งพันธมิตรเพื่อร่วมกันพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตท บริษัทจีนเริ่มต้นช้า แต่มีผู้เข้าร่วมตลาดจำนวนมาก และในขณะเดียวกัน บริษัทรถยนต์และบริษัทแบตเตอรี่ก็ร่วมมือกันอย่างใกล้ชิด

เส้นทางเทคโนโลยีทั่วโลกกำลังเฟื่องฟู และจีนใช้ออกไซด์เป็นหลัก การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตททั่วโลกส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในยุโรป สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และจีน ในหมู่พวกเขา ญี่ปุ่นและเกาหลีใต้มุ่งมั่นสู่เส้นทางซัลไฟด์ซึ่งครอบงำโดยบริษัทรถยนต์และแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม

โรงงานพลังงานยุโรปหันไปลงทุนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยมีบริษัทรถยนต์ดั้งเดิมเช่น Volkswagen และ BMW เป็นตัวแทน ลงทุนในบริษัทนวัตกรรมความร่วมมือทางเทคโนโลยีทั่วโลก จีนส่วนใหญ่ใช้เส้นทางออกไซด์ และผู้เล่นหลัก ได้แก่ CATL Gotion High-techและ บริษัทแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมอื่น ๆ

นอกจากนี้ยังมีสตาร์ทอัพที่นำเสนอโดยอุตสาหกรรมของผู้นำด้านวิชาการ เช่น Weilan New Energy, Jiangsu Qingtao เป็นต้น จากมุมมองของความคืบหน้า แบตเตอรี่กึ่งโซลิดสเตตของจีนได้รับการผลิตจำนวนมากและบรรจุลงในยานพาหนะ เมื่อความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตททั้งหมดกำลังดำเนินอยู่ คาดว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตทจะเข้ามาแทนที่และเป็นผู้นำ คลื่นลูกใหม่ของเทคโนโลยี

เส้นทางเทคโนโลยีทั่วโลกกำลังเฟื่องฟู และจีนใช้ออกไซด์เป็นหลัก การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตททั่วโลกส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในยุโรป สหรัฐอเมริกา ญี่ปุ่น เกาหลีใต้ และจีน ในหมู่พวกเขา ญี่ปุ่นและเกาหลีใต้มุ่งมั่นสู่เส้นทางซัลไฟด์ซึ่งครอบงำโดยบริษัทรถยนต์และแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม

โรงงานพลังงานยุโรปหันไปลงทุนในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยมีบริษัทรถยนต์ดั้งเดิมเช่น Volkswagen และ BMW เป็นตัวแทน ลงทุนในบริษัทนวัตกรรมความร่วมมือทางเทคโนโลยีทั่วโลก จีนส่วนใหญ่ใช้เส้นทางออกไซด์ และผู้เล่นหลัก ได้แก่ CATL Gotion High-tech และ บริษัทแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมอื่น ๆ นอกจากนี้ยังมีสตาร์ทอัพที่นำเสนอโดยอุตสาหกรรมของผู้นำด้านวิชาการ เช่น Weilan New Energy Jiangsu Qingtao Energy เป็นต้น

จากมุมมองของความคืบหน้า แบตเตอรี่กึ่งโซลิดสเตตของจีนได้รับการผลิตจำนวนมากและบรรจุลงในยานพาหนะ เมื่อความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตททั้งหมดกำลังดำเนินอยู่ คาดว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตทจะเข้ามาแทนที่และเป็นผู้นำ คลื่นลูกใหม่ของเทคโนโลยี