ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี 4D STEM ของ Mizzou: เพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่โซลิดสเตต

ปัจจุบันแบตเตอรี่โซลิดสเตตได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ โดยแบตเตอรี่ชนิดนี้ได้รับความนิยมในกลุ่มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและยานยนต์ไฟฟ้า โดยครองส่วนแบ่งตลาดแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั่วโลกในปี 2022

นักวิจัยประเมินว่าการใช้งานแบตเตอรี่โซลิดสเตตในภาคส่วน EV จะเติบโตแบบก้าวกระโดดในทศวรรษหน้า โดยจะไปถึงขนาดตลาดที่ 4.3 ล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2032. มีเหตุผลว่าทำไมแบตเตอรี่โซลิดสเตต ทรงตัว สำหรับการเติบโตแบบทวีคูณ โดยพื้นฐานแล้ว หมายถึงเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งแทนสารอิเล็กโทรไลต์แบบของเหลว เช่นเดียวกับที่ใช้ในเทคโนโลยีลิเธียมไอออน 

เซลล์โซลิดสเตตประกอบด้วยแคโทด ตัวแยก และแอโนด แคโทดสามารถ ทำ ด้วยสารประกอบเดียวกันกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในทางตรงกันข้าม ตัวแยก โดยทั่วไปจะทำ ของเซรามิกหรือโพลิเมอร์แข็ง ซึ่งยังทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ด้วย ขั้วบวก ทำ ของโลหะลิเธียม 

เมื่อชาร์จประจุแล้ว อนุภาคลิเธียมภายในแบตเตอรี่เหล่านี้จะเคลื่อนที่จากแคโทดผ่านโครงสร้างอะตอมของตัวแยกและหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าของแอโนด ก่อตัวเป็นชั้นลิเธียมบริสุทธิ์ที่เป็นของแข็ง กระบวนการนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าแอโนดประกอบด้วยอนุภาคลิเธียมเพียงอย่างเดียวและมีปริมาตรน้อยกว่าแอโนดเทคโนโลยีลิเธียมไอออนที่มีโครงสร้างกราไฟต์ 

แม้ว่าแบตเตอรี่เหล่านี้ ยังอยู่ในช่วงพัฒนาการพวกเขาสัญญาว่าจะมีการปรับปรุงหลายอย่างเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ในปัจจุบัน รวมถึงความหนาแน่นของพลังงานที่มากขึ้น อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น และขนาดที่เล็กลง แบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีแนวโน้มดีทำให้เป็นพื้นที่ที่น่าสนใจสำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่จะสำรวจเพิ่มเติมและดูว่าจะเกิดอะไรขึ้น เสร็จแล้ว กับมัน

ข่าวเผยแพร่ล่าสุดเกี่ยวกับการวิจัยของมหาวิทยาลัยมินนิโซตาอ้างว่านักวิจัย “การถอดรหัสบนแบตเตอรี่โซลิดสเตตในส่วนต่อๆ ไป เราจะมาดูเหตุผลที่ผลักดันให้เกิดคำกล่าวอ้างที่สูงส่งนี้ 

สิ่งที่นักวิจัยมหาวิทยาลัยมินนิโซตาประสบความสำเร็จ

งานวิจัยเรื่อง ความเข้าใจ การก่อตัวของเฟสระหว่างแคโทดกับอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไออนแบบโซลิดสเตตผ่าน 4D-STEM¹สาธิตเวิร์กโฟลว์ง่ายๆ เพื่อศึกษาการก่อตัวของอินเตอร์เฟสแคโทด-อิเล็กโทรไลต์ (CEI) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน 4 มิติ (4D-STEM) ซึ่งไม่จำเป็นต้องประกอบ SS-LIB

ที่จุดสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรไลต์แบบของแข็งและวัสดุแอคทีฟแคโทดในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบของแข็ง จะเกิดชั้นอินเทอร์เฟสขึ้น ทำให้ค่าอิมพีแดนซ์ของเซลล์เพิ่มขึ้น นักวิจัยได้ขจัดความจำเป็นในการประกอบ SS-LIB และแสดงให้เห็นประโยชน์ของ MoCl5:EtOH ในฐานะตัวแทนการขจัดลิเธียมทางเคมี ร่วมกับผง LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) แคโทดที่ถูกขจัดลิเธียมทางเคมีที่สัมผัสกับผง Li10GeP2S12 (LGPS) SE ซึ่งเป็นตัวแทน SS-LIB CEI

นักวิจัยได้ทำการระบุองค์ประกอบและโครงสร้างของชั้น CEI โดยใช้ 4D-STEM, การสเปกโตรสโคปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS) และ การวิเคราะห์ฟังก์ชันการกระจายคู่อิเล็กตรอน (ePDF) ผลการค้นพบดังกล่าวบ่งชี้ว่าสารเคลือบที่ขัดขวางการเคลื่อนย้ายแอนไอออนแต่ยังคงอนุญาตให้ลิเธียมไอออนและอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนย้ายได้อาจช่วยป้องกันการก่อตัวของอินเตอร์เฟสและลดค่าอิมพีแดนซ์ใน SS-LIB 

ขณะที่กำลังบรรยายถึงลักษณะของการเคลือบนั้น ยังกล่าวว่า:

“สารเคลือบจะต้องบางพอที่จะป้องกันปฏิกิริยาได้ แต่ไม่หนาจนเกินไปจนขัดขวางการไหลของลิเธียมไอออน เรามุ่งมั่นที่จะรักษาคุณสมบัติประสิทธิภาพสูงของวัสดุอิเล็กโทรไลต์แข็งและแคโทด เป้าหมายของเราคือการใช้วัสดุเหล่านี้ร่วมกันโดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพเพื่อความเข้ากันได้”

ทั้งหมดนี้อาจฟังดูเป็นเรื่องเทคนิคเกินไป แต่มีมุมมองที่ง่ายกว่าที่จะเข้าใจเกี่ยวกับความสำเร็จของการวิจัย

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับความก้าวหน้าทางแบตเตอรี่ที่นำแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตเข้าใกล้ความเป็นจริงอีกขั้น

การจัดการกับปัญหาของอิเล็กโทรไลต์เหลว

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใช้สารอิเล็กโทรไลต์เหลว ซึ่งอาจลุกไหม้ได้หากได้รับความเสียหายหรือได้รับความร้อนมากเกินไป นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิสซูรีได้แก้ปัญหานี้โดยพัฒนาวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการแทนที่สารอิเล็กโทรไลต์เหลวหรือเจลด้วยสารอิเล็กโทรไลต์แข็ง

เมื่ออธิบายเพิ่มเติมว่าวิธีแก้ปัญหานี้ทำงานอย่างไร ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Matthias Young ซึ่งได้รับการแต่งตั้งร่วมกันในวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาลัยศิลปศาสตร์และวิทยาศาสตร์ของมหาวิทยาลัยมิสซูรี ได้กล่าวไว้ดังนี้:

เมื่ออิเล็กโทรไลต์ของแข็งสัมผัสกับแคโทด มันจะทำปฏิกิริยาและก่อตัวเป็นชั้นอินเตอร์เฟสที่มีความหนาประมาณ 100 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าความกว้างของเส้นผมมนุษย์ถึง 1,000 เท่า ชั้นนี้จะขัดขวางการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนและอิเล็กตรอน ทำให้เพิ่มความต้านทานและส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่สุด

อย่างไรก็ตาม ความสำเร็จที่สำคัญที่สุดของทีมวิจัยคือการใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดสี่มิติ (4D STEM) สิ่งที่ทำให้สิ่งนี้เป็นการปฏิวัติคือ พวกเขาสามารถตรวจสอบโครงสร้างอะตอมของแบตเตอรี่ได้โดยไม่ต้องถอดประกอบ ซึ่งช่วยให้พวกเขาเข้าใจปฏิกิริยาเคมีภายในอย่างลึกซึ้ง และประเมินระดับความเสียหายที่ชั้นอินเตอร์เฟสก่อให้เกิดขึ้น 

จากมุมมองของผู้ใช้แบตเตอรี่ที่มีศักยภาพ การวิจัยและผลที่ตามมาถือว่ามีศักยภาพอย่างมาก 

ประโยชน์ที่คาดว่าจะได้รับในโลกแห่งความเป็นจริง

ผู้ผลิตรถยนต์ทั่วโลกต่างตื่นเต้นกับแบตเตอรี่โซลิดสเตตเนื่องจากแบตเตอรี่ประเภทนี้จะช่วยเพิ่มความปลอดภัยและเสถียรภาพทางความร้อนได้ดีกว่า การวิจัยที่เราเพิ่งกล่าวถึงไปถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในทิศทางดังกล่าว นับเป็นก้าวสำคัญที่ยิ่งใหญ่ นอกจากนี้ การวิจัยดังกล่าวอาจนำไปสู่การปรับปรุงด้านความปลอดภัย ประสิทธิภาพ อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ต้นทุน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม 

นักวิทยาศาสตร์ด้านแบตเตอรี่ทั่วโลกต่างมีความหวังว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตสายพันธุ์ใหม่ซึ่งจะเกิดขึ้นจากการวิจัยดังกล่าว จะสามารถเอาชนะข้อเสียสำคัญสองประการของลิเธียมไอออนแบบเดิมได้ในที่สุด แคโทดที่มีนิกเกิลสูงจะช่วยให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่ใช้โคบอลต์ในแคโทดได้น้อยลง ประการที่สอง เคมีของโซลิดสเตตจะช่วยให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถใช้ลิเธียมเมทัลในแอโนดได้

ปัจจัยแรกมีความสำคัญต่อการเติบโตของภาคส่วนนี้ เนื่องจากโคบอลต์มีปริมาณน้อย มีราคาแพง และขุดได้ยาก โคบอลต์มาจากประเทศที่มีกฎหมายการขุดที่ไม่เข้มงวด นักวิจัยเชื่อว่าขอบเขตการใช้ลิเธียมในขั้วบวกมีความสำคัญ เนื่องจากลิเธียมจะช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและส่งเสริมความปลอดภัย

เมื่อพูดถึงการใช้โลหะลิเธียม เฮเลน่า บราก้ารองศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์วิศวกรรมที่มหาวิทยาลัยปอร์โตในประเทศโปรตุเกสและนักวิจัยที่มีชื่อเสียงที่ทำงานร่วมกับ รางวัลโนเบล ผู้ชนะ John goodenough เกี่ยวกับแบตเตอรี่โซลิดสเตตเมื่อทศวรรษที่แล้ว กล่าวว่า:

“นี่คือสาเหตุที่เราเริ่มการเดินทาง (แบบโซลิดสเตต) นี้ตั้งแต่แรก เพื่อที่เราจะได้ใช้ลิเธียมเมทัล”

โดยรวมแล้ว เทคโนโลยีและเทคนิคที่อิงตามการวิจัยนี้สามารถนำไปสู่การออกแบบแบตเตอรี่ที่ดีขึ้นพร้อมกับประสิทธิภาพและความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและรถยนต์ไฟฟ้าภายใน 3-7 ปี

อย่างไรก็ตาม มูลค่าที่แท้จริงของการวิจัยดังกล่าวจะขึ้นอยู่กับว่าบริษัทและธุรกิจที่ผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะปรับใช้และขยายขนาดได้สำเร็จเพียงใด ในส่วนต่อไปนี้ เราจะพูดถึงบริษัทหนึ่งดังกล่าว โซลิด พาวเวอร์ อิงค์ (SLDP )ซึ่งเชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมด มุ่งเน้นที่โซลูชันการจัดเก็บพลังงานที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

โซลิด พาวเวอร์ อิงค์ (SLDP ) 

Solid Power วางตำแหน่งตัวเองเป็นผู้ให้บริการ เทคโนโลยีเซลล์แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมด ซึ่งนำเสนอการปรับปรุงที่สำคัญเหนือเทคโนโลยีลิเธียมไอออนแบบใช้ของเหลวทั่วไปในปัจจุบันและเซลล์ไฮบริดรุ่นถัดไป รวมถึงพลังงานสูง ความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น และการประหยัดต้นทุน 

แบตเตอรี่ของ Solid Power ช่วยให้สามารถใช้ขั้วไฟฟ้าที่มีความจุสูงกว่า เช่น ซิลิคอนที่มีปริมาณประจุสูงและลิเธียมเมทัล เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพพลังงานสูง แบตเตอรี่มีความปลอดภัยมากขึ้นโดยไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบของเหลวและเจลที่ระเหยและไวต่อปฏิกิริยา ส่งผลให้แบตเตอรี่สามารถทนทานและใช้งานได้ในอุณหภูมิที่ร้อนจัด บริษัทเชื่อว่าแบตเตอรี่ของบริษัทสามารถให้ความได้เปรียบด้านต้นทุน 15-35% เมื่อเทียบกับลิเธียมไอออนที่มีอยู่ในบรรจุภัณฑ์ 

ในหัวข้อถัดไป เราจะมาพูดถึงแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามประเภทจาก Solid Power 

เซลล์ซิลิคอน EV 

เซลล์เหล่านี้มาพร้อมกับขั้วบวกซิลิกอนที่มีเนื้อหาสูงซึ่งให้ความเร็วในการชาร์จสูงและความสามารถในการทนอุณหภูมิต่ำ แบตเตอรี่เหล่านี้ มีพลังงาน ด้วยอิเล็กโทรไลต์ของแข็งซัลไฟด์ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของบริษัท สุดท้าย แคโทด NMC ของเราก็เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมและพร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์แล้ว 

โลหะลิเธียม

แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลแบบ Solid Power มาพร้อมกับลิเธียมเมทัลและขั้วบวกพลังงานสูง แบตเตอรี่ประเภทนี้ ยังมีพลังอีกด้วย โดยอิเล็กโทรไลต์โซลิดที่ใช้ซัลไฟด์ซึ่งเป็นกรรมสิทธิ์ของ Solid Power และแคโทด NMC ที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมและผลิตในเชิงพาณิชย์ 

เซลล์ปฏิกิริยาการแปลง 

ในที่สุด เราก็มาถึงประเภทเซลล์ปฏิกิริยาการแปลงของแบตเตอรี่ที่มาพร้อมกับลิเธียมเมทัล ขั้วบวกพลังงานสูง อิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่เป็นซัลไฟด์ซึ่งมีต้นทุนต่ำเป็นพิเศษ และแคโทดชนิดแปลงพลังงานจำเพาะสูง 

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ของ Solid Power มีอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่มีซัลไฟด์เป็นส่วนประกอบหลัก ซึ่งเป็นหนึ่งในรากฐานที่แข็งแกร่งที่สุด เทคโนโลยีนี้รับประกันการกำจัดอิเล็กโทรไลต์ของเหลวไวไฟและชั้นแยกโพลิเมอร์ออกจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมได้อย่างสมบูรณ์ และแทนที่ ด้วยชั้นแข็งที่แม้จะบางแต่ก็ทำหน้าที่เป็นสิ่งกีดขวางเพื่อไม่ให้ขั้วบวกและขั้วลบสัมผัสกัน ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรได้ นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ตัวนำ อิเล็กโทรไลต์แบบแข็งที่มีซัลไฟด์เป็นส่วนประกอบของ Solid Power มาพร้อมกับการผสมผสานที่ดีที่สุดระหว่างความเป็นตัวนำ ความสามารถในการผลิต และประสิทธิภาพในระดับเซลล์ 

เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่ใช้ซัลไฟด์เป็นส่วนประกอบหลักของ Solid Power ใช้วัสดุที่อุดมสมบูรณ์จากโลก บริษัทคาดว่าจะขยายกำลังการผลิตอิเล็กโทรไลต์ให้เพียงพอต่อการใช้พลังงานไฟฟ้าสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า 800,000 คันต่อปี ผ่านเซลล์แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมดภายในปี พ.ศ. 2028

SLDP: อัปเดตล่าสุด

ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2024 Solid Power ได้ประกาศ การขยายความร่วมมือกับฟอร์ดจนถึงปี 2025การแก้ไขเพิ่มเติมครั้งที่สามของข้อตกลงการพัฒนาร่วมกันสะท้อนให้เห็นถึงความมุ่งมั่นอย่างต่อเนื่องระหว่าง Solid Power และ Ford ที่จะผลักดันขอบเขตประสิทธิภาพแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า 

รายงานระบุว่าการขยายความร่วมมือครั้งนี้ถือเป็นก้าวสำคัญสำหรับ Solid Power ในการผลักดันเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตให้สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ การขยายความร่วมมือกับ Ford ผู้ผลิตรถยนต์ชั้นนำระดับโลกครั้งนี้ ตอกย้ำถึงผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นจากเทคโนโลยีของ Solid Power ต่ออุตสาหกรรมยานยนต์

ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2025 บริษัทได้เข้าทำสัญญา ข้อตกลงทางการเงินที่สำคัญกับกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (DOE) บริษัทประกาศว่าได้รับเงินทุนสูงถึง 50 ล้านดอลลาร์เพื่อเพิ่มความสามารถในการผลิตวัสดุอิเล็กโทรไลต์ของแข็งที่ทำจากซัลไฟด์ ซึ่งจำเป็นสำหรับแบตเตอรี่รุ่นถัดไป

เงินทุนดังกล่าวเป็นส่วนหนึ่งของข้อตกลงความช่วยเหลือที่มีผลบังคับใช้ในวันที่ 1 มกราคม 2025 ซึ่งกำหนดว่า Solid Power จะต้องสนับสนุนเงินทุน 60 ล้านดอลลาร์เป็นส่วนหนึ่งของข้อตกลงการแบ่งปันค่าใช้จ่าย การลงทุนดังกล่าว ได้ถูกมุ่งเป้าไป เพื่อรองรับการติดตั้งอุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการผลิตอย่างต่อเนื่องซึ่ง คาดว่า เพื่อเสริมสร้างขนาดการผลิตของบริษัท

เป็นส่วนหนึ่งของข้อตกลง Solid Power เป็นสิ่งที่จำเป็น เพื่อปฏิบัติตามข้อกำหนดการรายงานที่เฉพาะเจาะจงและภาระผูกพันในการปฏิบัติตาม การสนับสนุนของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ เน้นย้ำถึงความสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่สำหรับระบบกักเก็บพลังงานและยานยนต์ไฟฟ้า ซึ่งเป็นภาคส่วนที่สำคัญยิ่งต่อการเปลี่ยนผ่านสู่เศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ

ความร่วมมือระหว่างบริษัทกับ DOE ถือเป็นก้าวเชิงกลยุทธ์ในการเร่งการจำหน่ายแบตเตอรี่โซลิดสเตตในเชิงพาณิชย์ ซึ่งสัญญาว่าจะให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า ปลอดภัยยิ่งขึ้น และมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป

ในด้านการเงิน Solid Power ส่งมอบ 20.1 ล้านเหรียญสหรัฐ รายได้ในปี 2024 เพิ่มขึ้น 2.7 ล้านเหรียญสหรัฐเมื่อเทียบกับปี 2023 ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานอยู่ที่ 125.5 ล้านเหรียญสหรัฐในปี 2024 เพิ่มขึ้นจาก 108.0 ล้านเหรียญสหรัฐในปี 2023 ซึ่งเกิดจากต้นทุนการวิจัยและพัฒนาที่เพิ่มขึ้นเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของการออกแบบอิเล็กโทรไลต์และเซลล์ การผลิตอิเล็กโทรไลต์ การซื้ออุปกรณ์ที่รองรับข้อตกลง SK On และการขยายขนาดการดำเนินงาน รวมถึงการจัดตั้งการดำเนินงานในเกาหลี ขาดทุนจากการดำเนินงานในปี 2024 อยู่ที่ 105.3 ล้านเหรียญสหรัฐ ในขณะที่ขาดทุนสุทธิอยู่ที่ 96.5 ล้านเหรียญสหรัฐ หรือ 0.54 เหรียญสหรัฐต่อหุ้น

“ในปี 2025 Solid Power จะผลักดันการพัฒนาเทคโนโลยี ASSB ต่อไปโดยการปรับปรุงประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลต์ผ่านข้อเสนอแนะจากทีมพัฒนาเซลล์ของเรา ปฏิบัติตามข้อกำหนดของพันธมิตรและคำขอของลูกค้า พัฒนานวัตกรรมอย่างต่อเนื่องทั้งในด้านเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลต์และเซลล์ และรักษาวินัยทางการเงินในขณะที่ลงทุนเชิงกลยุทธ์ในการพัฒนาและความสามารถ”

– จอห์น แวน สโกเตอร์ ประธานและประธานเจ้าหน้าที่บริหารของ Solid Power

แบตเตอรี่โซลิดสเตต: มองไปสู่อนาคต

อนาคตของแบตเตอรี่โซลิดสเตตดูน่าตื่นเต้นและเต็มไปด้วยศักยภาพด้านนวัตกรรม ตัวอย่างเช่น ในปี 2024 นักวิจัยจาก Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลชนิดใหม่ ที่อาจ ถูกเรียกเก็บเงิน และปล่อยประจุได้อย่างน้อย 6,000 ครั้ง ซึ่งมากกว่าเซลล์แบตเตอรี่ถุงอื่นๆ และสามารถชาร์จใหม่ได้ภายในเวลาไม่กี่นาที

ตามที่ Xin Li รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์ที่ SEAS และผู้เขียนอาวุโสของบทความที่ให้รายละเอียดเกี่ยวกับการวิจัยและตีพิมพ์ใน Nature Materials กล่าว:

“แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลแอโนด ได้รับการพิจารณา จอกศักดิ์สิทธิ์ของแบตเตอรี่เนื่องจากมีความจุมากกว่าแบตเตอรี่แอโนดกราไฟต์เชิงพาณิชย์ถึง 10 เท่า และสามารถเพิ่มระยะทางขับเคลื่อนของยานพาหนะไฟฟ้าได้อย่างมาก

ในการวิจัยของพวกเขา Li และทีมของเขาหยุดการก่อตัวของเดนไดรต์โดยใช้อนุภาคซิลิกอนขนาดไมครอนในขั้วบวกเพื่อจำกัดปฏิกิริยาการลิเธียมและอำนวยความสะดวกในการชุบโลหะลิเธียมหนาให้เป็นเนื้อเดียวกัน เมื่อไอออนลิเธียมเคลื่อนจากแคโทดไปยังขั้วบวกในระหว่างการชาร์จ ปฏิกิริยาการลิเธียมจะ ถูกบีบรัด ที่พื้นผิวตื้น และไอออนจะเกาะติดกับพื้นผิวของอนุภาคซิลิกอนโดยไม่แทรกซึมเข้าไปเพิ่มเติม 

“ในการออกแบบของเรา โลหะลิเธียมจะถูกพันรอบอนุภาคซิลิกอน เช่นเดียวกับเปลือกช็อกโกแลตแข็งๆ รอบๆ แกนเฮเซลนัทในช็อกโกแลตทรัฟเฟิล”

- หลี่

อนุภาคเคลือบจะสร้างพื้นผิวที่เป็นเนื้อเดียวกัน ทำให้ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้ากระจายสม่ำเสมอและป้องกันการเติบโตของเดนไดรต์ และเนื่องจากการชุบและการลอกออกสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วบนพื้นผิวที่เรียบ แบตเตอรี่จึงชาร์จใหม่ได้ในเวลาเพียงประมาณ 10 นาทีเท่านั้น 

นักวิจัยได้พัฒนาแบตเตอรี่แบบเซลล์ซองขนาดเท่าแสตมป์ ซึ่งใหญ่กว่าเซลล์แบบเหรียญที่ใช้ในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยส่วนใหญ่ถึง 10 ถึง 20 เท่า แบตเตอรี่นี้สามารถรักษาความจุได้ 80% หลังจากใช้งานไปแล้ว 6,000 รอบ ซึ่งเหนือกว่าแบตเตอรี่เซลล์ซองอื่นๆ ในระดับเดียวกัน ในกระบวนการนี้ นักวิจัยได้เปิดเผยวัสดุอื่น ๆ อีกหลายสิบชนิดที่สามารถ ที่อาจเกิดขึ้น ให้ประสิทธิภาพที่คล้ายคลึงกัน ตามที่หลี่กล่าวไว้:

“งานวิจัยก่อนหน้านี้พบว่าวัสดุอื่นๆ รวมถึงเงิน สามารถทำหน้าที่เป็นวัสดุที่ดีที่ขั้วบวกสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตได้”

เพื่อให้กระบวนการนี้เป็นสากล ทีมนักวิจัยได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับ การเปรียบเทียบประสิทธิภาพการทำซ้ำของประสิทธิภาพเซลล์แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด.² นักวิจัยได้สังเกตว่า การเปรียบเทียบระหว่างห้องปฏิบัติการและความสามารถในการทำซ้ำของประสิทธิภาพการทำงานของวงจรเซลล์แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดนั้นยังไม่เป็นที่เข้าใจดี เนื่องจากขาดการตั้งค่าและพารามิเตอร์การประกอบที่เป็นมาตรฐาน

นักวิจัยเสนอชุดพารามิเตอร์สำหรับการรายงานผลการหมุนเวียนแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมด และสนับสนุนให้มีการรายงานข้อมูลซ้ำสามครั้ง ตัวอย่างเช่น แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดเริ่มต้นที่ 2.5 และ 2.7 โวลต์ เมื่อเทียบกับ Li+/Li เป็นตัวทำนายที่ดีว่าการหมุนเวียนแบตเตอรี่จะประสบความสำเร็จสำหรับเซลล์ที่ใช้สารอิเล็กโทรแอคทีฟเหล่านี้

การกำหนดมาตรฐานการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตเป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากการใช้งานนั้นมีความหลากหลาย แม้ว่าผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าจะให้ความสนใจในการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด แต่ถึงกระนั้น นักวิจัยของ NASA รายงานว่ามีความก้าวหน้า ด้วยการพัฒนาชุดแบตเตอรี่ที่เป็นนวัตกรรมซึ่งมีน้ำหนักเบากว่า ปลอดภัยกว่า และทำงานได้ดีกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้ทั่วไปในยานพาหนะและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดใหญ่ในปัจจุบัน 

นักวิจัยของ NASA ทดลองใช้วัสดุใหม่ที่เป็นนวัตกรรม ยังไม่ได้ใช้งาน ในแบตเตอรี่ ทีมงานได้ตระหนักในช่วงแรกๆ ว่าสถาปัตยกรรมโซลิดสเตตช่วยให้พวกเขาเปลี่ยนโครงสร้างและบรรจุภัณฑ์ของแบตเตอรี่ได้ ช่วยลดน้ำหนักและเพิ่มความจุในการกักเก็บพลังงาน พวกเขาได้สาธิตให้เห็นว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถจ่ายพลังงานให้กับวัตถุต่างๆ ได้ด้วยความจุมหาศาลถึง 500 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ซึ่งมากกว่ารถยนต์ไฟฟ้าถึงสองเท่า

“การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดน้ำหนักแบตเตอรี่ลง 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น แต่ยังช่วยให้เราเพิ่มพลังงานที่สามารถจัดเก็บได้เป็นสองหรือสามเท่า ซึ่งเกินความสามารถของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาก ได้รับการพิจารณา ที่จะทันสมัยที่สุด”

– Rocco Viggiano ผู้สืบสวนหลักของ SABERS

SABERS เป็นคำย่อของกิจกรรมที่ NASA กำหนด ซึ่งก็คือ 'แบตเตอรี่สถาปัตยกรรมโซลิดสเตตเพื่อการชาร์จพลังงานที่เพิ่มขึ้นและความปลอดภัย'

ดังที่ชื่อบ่งบอก อนาคตของแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะเติบโตได้ในด้านความสามารถในการชาร์จซ้ำอย่างรวดเร็วและความปลอดภัย ผู้ผลิตจะมองหาแบตเตอรี่ที่ชาร์จซ้ำได้เร็วกว่าโดยไม่ทำให้กระบวนการดังกล่าวไม่ปลอดภัยมากขึ้น

คลิกที่นี่เพื่อดูรายชื่อแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ดีที่สุด 5 อันดับ