“New Super lithium battery!!! " พบกับ NCM88 แบตเตอรี่ลิเธียมลูกผสมแบบใหม่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงเป็นประวัติการณ์!!!
ในปัจจุบันคงไม่ใช่เรื่องที่เกินจริงไปนัก หากจะกล่าวว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Lithium-Ion Battery) เป็นหนึ่งในนวัตกรรมที่ส่งผลกระทบต่อชีวิตประจำวันมากที่สุด เนื่องจากน้ำหนักที่เบา ชาร์จเก็บพลังงานได้สูงทำให้มีอัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักสูงมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่น และมีการคาดการณ์ว่ามูลค่าตลาดของแบตเตอรี่ชนิดนี้จะโตอีกมาก พร้อมกับการมาถึงของรถยนต์ไฟฟ้า [1]
กว่าจะพัฒนามาสู่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Lithium-Ion Battery) ยุคปัจจุบัน
ในยุคเริ่มแรกนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Lithium-Ion Battery) ถูกพัฒนาขึ้นในปี 1973 โดย Stanley Whittingham โดยใช้วัสดุอย่างโลหะซัลไฟต์พวก Titanium Disulphide เป็นวัสดุสร้างขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ร่วมกับการใช้โลหะลิเธียมเป็นขั้วลบ
โดยหลักการทำงานพื้นฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือการชาร์จไฟฟ้าเข้าไปที่สารละลายตัวกลางที่เรียกว่า "อิเลกโทรไลต์ (Electrolite)" ที่มีไอออนของลิเธียมละลายอยู่ เมื่อเราเปิดใช้งานแบตเตอรี่แล้ว มันจะเร่งให้ไอออนลิเธียมในสารละลายอิเลกโทรไลต์
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยุคแรกๆที่สร้างโดย Stanley Whittingham
วิ่งข้ามตัวกั้นเซลล์ไฟฟ้า (Barrier) จากขั้วแอโนด (ขั้วลบ) ที่ทำจากโลหะลิเธียม เพื่อไปรับอิเลกตรอนที่ขั้วแคโทด (ขั้วบวก) ทำให้เกิดการไหลของกระแสอิเลกตรอนครบวงจรจนเกิดเป็นกระแสไฟฟ้าสำหรับใช้งาน อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่แบบที่ใช้ลิเธียมเป็นขั้วแอโนดในช่วงเริ่มต้นนี้ระเบิดได้ง่าย จึงไม่ปลอดภัยที่จะนำมาใช้งาน แถมผลิตกระแสไฟฟ้าได้ต่ำมาก (ราวๆ 2 โวลต์ต่อเซลล์)
ไดอะแกรมแสดงรูปแบบแบตเตอรี่ลิเธียมที่สร้างโดย John Goodenough
เวลาต่อมา John Goodenough เกิดไอเดียใหม่ที่จะใช้ออกไซด์โลหะ (Metal Oxide) แทนโลหะซัลไฟต์ (Metal Sulphide) สำหรับทำขั้วบวกของแบตเตอรี่ โดยต้นแบบแรกที่พัฒนาสำเร็จในปี 1980 คือแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้ Cobalt Oxide ร่วมกับชั้นลิเธียมไอออนบาง ๆ ซึ่งผลิตไฟฟ้าได้สูงกว่าเดิมเกือบสองเท่า
ไดอะแกรมแสดงรูปแบบแบตเตอรี่ลิเธียมที่สร้างโดย Akira Yoshino
จากนั้นในปี 1985 Akira Yoshino ได้ต่อยอดการพัฒนาแบตเตอรี่ของ Goodenough โดยหันมาใช้วัสดุอย่าง Petroleum Coke ที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับ Cobalt Oxide เพื่อนำมาทำขั้วลบของแบตเตอรี่ ทำให้ได้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบใหม่ที่มีน้ำหนักเบากว่าเดิมมาก
แถมชาร์จได้มากกว่าร้อยครั้งและกลายเป็นรูปแบบมาตรฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ถูกใช้งานมาจนถึงปัจจุบัน จากผลงานดังกล่าวทำให้ทั้งสามบุคคลได้รับรางวัลโนเบสาขาเคมีไปในปี 2019 สมกับคุณูปการที่มอบไว้ให้กับวงการวิทยาศาสตร์
ยุคใหม่ของแบตเตอรี่ลิเธียมไออนกับอุปสรรคสำคัญ?
นับตั้งแต่นั้นมาแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีพื้นฐานมาจากงานของ Yoshino ก็กลายมาเป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์แบบไร้สาย และอุปกรณ์พกพาต่างๆ แต่การเข้ามาของยุคยานยนต์ไฟฟ้าก็เร่งให้เกิดความต้องการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมมากยิ่งขึ้น
อย่างไรก็ตามปัญหาที่ทำให้การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมกำลังถึงทางตันคือ "เราไม่สามารถเพิ่มค่าความหนาแน่นของพลังงาน (energy density) ของพวกมันได้อีกต่อไปแล้ว แม้ในช่วงหลายปีที่ผ่านมาแบตรุ่นใหม่ๆจะชาร์จไฟได้เยอะขึ้น จากการพัฒนาวัสดุทำขั้วไฟฟ้าแบบใหม่ที่ดีขึ้นแต่ปัญหานี้กำลังถึงทางตัน
ความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าที่มากขึ้นยิ่งเร่งให้เกิดความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมแบบใหม่ที่มีค่าความจุของพลังงานสูงขึ้น [2] [3]
เพราะการเพิ่มค่าความหนาแน่นของพลังงานต่อหน่วยที่มากขึ้น หมายถึงต้องผลิตชั้นลิเธียมไอออนที่บางมากขึ้นจนอาจทำให้เสี่ยงต่อการลัดวงจรของแบต และปัญหาที่สำคัญคือเมื่อใช้งานไปนานๆ ไอออนของลิเธียมในอิเลกโทรไลต์อาจจะเข้าไปทำปฏิกิริยากับขั้วไฟฟ้าจนสะสมเป็นคราบหนาบนขั้วบวกของแบตเตอรี่ และทำให้ความจุของแบตลดลงอย่างช้า ๆ
แบตเตอรี่ปรับปรุงใหม่ ไฟแรงกว่าเดิม!!!
จากปัญหาดังกล่าวทำให้ทีมนักวิจัยจาก Karlsruhe Institute of Technology (KIT) และ Helmholtz Institute Ulm (HIU) ประเทศเยอรมันนีได้พัฒนาไอเดียสำหรับแบตรุ่นใหม่โดยใช้วัสดุผสมที่มีธาตุนิลเกิลสูงแต่โคบอลต์ต่่ำซึ่งเรียกว่า "NCM88" ทำเป็นขั้วบวกควบคู่กับโลหะลิเธียมที่ใช้เป็นขั้วลบ
โดยใช้สารอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่มีจำหน่ายในท้องตลาดอย่าง "LP30" ผลการทดสอบพบว่าแม้ขั้วบวกของแบตที่สร้างใหม่นี้จะมีค่าความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก แต่มันก็เกิดความไม่เสถียรขึ้นอย่างช้าๆ และค่าความจุในการกักเก็บพลังงานก็ลดลงตามจำนวนรอบการชาร์จที่เพิ่มขึ้น
การเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมแบบ NCM88 ที่ใช้อิเลกโทรไลต์ ILE เทียบกับ แบบ LP30
ด้วยเหตุนี้นักวิจัยจึงเปลี่ยนแผนจากการใช้อิเล็กโทรไลต์แบบ LP30 มาเป็นอิเล็กโทรไลต์เหลวแบบไอออนคู่ (dual-anion ionic liquid electrolyte: ILE) ที่ไม่ระเหยและติดไฟได้ไม่ดี ผลลัพธ์ที่ได้จากการปรับเปลี่ยนโครงสร้างบนขั้วบวกนี้ทำให้แบตเตอรี่ NCM88 ที่ใช้อิเลกโทรไลต์ ILE มีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดถึง 560 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม (Wh/kg) ซึ่งมากเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ดีที่สุดที่มีใช้งานอยู่ในปัจจุบัน
กราฟแสดงค่าความหนาแน่นของพลังงาน (energy density) ในแบตเตอรี่ลิเธียมประเภทต่างๆที่มีใช้งานอยู่ในปัจจุบัน [2]
จากการทดสอบในเบื้องต้นเมื่อพวกมันมีค่าความหนาแน่นของพลังงานเริ่มต้นสูงถึง 214 mAh/g ต่อน้ำหนักของขั้วบวก และยังคงค่าความจุไว้ที่ 88% หลังจากผ่านรอบการชาร์จและคายประจุไปแล้ว 1000 รอบ โดยมีประสิทธิภาพในการคายประจุไฟฟ้าเฉลี่ยสูงถึงคือ 99.94%
ถึงอย่างไรก็ตามก้าวต่อไปของแบตเตอรี่ลิเธียม NCM88 เองนักวิจัยเองก็มองว่ายังต้องพัฒนาอีกระยะหนึ่งเพื่อเพิ่มความเสถียรและปรับปรุงเทคนิคการสร้างขั้วไฟฟ้าให้ใช้งานได้ดีขึ้น เพื่อต้องสนองสู่ยุคแห่ง EVs ในอนาคตอันใกล้
อ้างอิงข้อมูล
- 1
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
