เหตุใดแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดจึงเป็นกระแสของอุตสาหกรรม
ความปลอดภัยสูง:
ปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่เหลวมักถูกวิพากษ์วิจารณ์อยู่เสมอ อิเล็กโทรไลต์สามารถติดไฟได้ง่ายภายใต้อุณหภูมิสูงหรือแรงกระแทกอย่างรุนแรง ภายใต้กระแสไฟสูง ลิเธียมเดนไดรต์จะเจาะทะลุตัวแยกและทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรด้วย บางครั้งอิเล็กโทรไลต์อาจเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงหรือสลายตัวที่อุณหภูมิสูง ความคงตัวทางความร้อนของอิเล็กโทรไลต์ของเหลวสามารถรักษาได้สูงถึง 100 องศาเท่านั้น ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์ของแข็งออกไซด์สามารถเข้าถึงได้ถึง 800 องศา และซัลไฟด์และเฮไลด์ก็สามารถเข้าถึงได้ถึง 400 องศาเช่นกัน ของแข็งออกไซด์มีความเสถียรมากกว่าของเหลว และเนื่องจากรูปแบบของแข็ง ความต้านทานแรงกระแทกจึงสูงกว่าของเหลวมาก ดังนั้นแบตเตอรี่โซลิดสเตตจึงสามารถตอบสนองความต้องการของผู้คนได้อย่างปลอดภัย
ความหนาแน่นของพลังงานสูง:
ในปัจจุบัน แบตเตอรี่โซลิดสเตตไม่ได้มีความหนาแน่นของพลังงานเกินกว่าแบตเตอรี่ของเหลว แต่ในทางทฤษฎีแล้ว แบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถบรรลุความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมาก แบตเตอรี่โซลิดสเตตไม่จำเป็นต้องห่อด้วยของเหลวเพื่อป้องกันการรั่วซึมเหมือนแบตเตอรี่เหลว ดังนั้นจึงสามารถกำจัดเปลือกที่ซ้ำซ้อน ฟิล์มห่อ วัสดุกระจายความร้อน ฯลฯ และความหนาแน่นของพลังงานสามารถปรับปรุงได้อย่างมาก
กำลังไฟสูง:
ลิเธียมไอออนในแบตเตอรี่เหลวถูกพาไปโดยการนำ ในขณะที่ลิเธียมไอออนในแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะพาไปโดยการนำแบบกระโดด ซึ่งเร็วกว่าและมีอัตราการชาร์จและคายประจุที่สูงกว่า การชาร์จอย่างรวดเร็วถือเป็นปัญหาในเทคโนโลยีแบตเตอรี่เหลวมาโดยตลอด เนื่องจากลิเธียมจะตกตะกอนหากความเร็วในการชาร์จเร็วเกินไป แต่ปัญหานี้ไม่มีอยู่ในแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด
ประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำ:
โดยทั่วไปแบตเตอรี่เหลวจะทำงานได้อย่างเสถียรที่ -10 องศาถึง 45 องศา แต่ระยะการล่องเรือจะลดลงอย่างมากในฤดูหนาว อุณหภูมิในการทำงานของอิเล็กโทรไลต์แข็งอยู่ระหว่าง -30 องศาถึง 100 องศา ดังนั้นอายุการใช้งานแบตเตอรี่จึงไม่ลดลงยกเว้นในพื้นที่ที่เย็นจัด และไม่จำเป็นต้องมีระบบการจัดการระบายความร้อนที่ซับซ้อน
ช่วงชีวิตที่ยาวนาน:
ในบรรดาแบตเตอรี่เหลว อายุการใช้งานเฉลี่ยของแบตเตอรี่แบบไตรภาคคือ 500-1000 รอบ และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตสามารถเข้าถึงได้ถึง 2000 รอบ สถานะของแข็งทั้งหมดของฟิล์มบางสามารถถึง 45,000 รอบในอนาคต และช่วงชีวิต 5C ในห้องปฏิบัติการสามารถเข้าถึงได้ถึง 10,000 เท่า เมื่อต้นทุนการผลิตที่มีความหนาแน่นของพลังงานเท่ากันสามารถนำมารวมกันได้ ความคุ้มทุนของแบตเตอรี่โซลิดสเตตจึงไม่มีใครเทียบได้
การเปรียบเทียบอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์ที่เป็นของแข็ง 4 ชนิด
ประเภทวัสดุของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสามารถแบ่งออกได้เป็นสี่ประเภท: ออกไซด์ ซัลไฟด์ โพลีเมอร์ และเฮไลด์ อิเล็กโทรไลต์ทั้งสี่ประเภทนี้แต่ละประเภทมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นตัวกำหนดความยากของการวิจัยและพัฒนา การผลิต และการพัฒนาอุตสาหกรรม รวมถึงตำแหน่งทางการตลาดในอนาคต
อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์:
ข้อดี: ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกอยู่ตรงกลาง และมีเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้า เสถียรภาพทางกล และเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีที่สุด สามารถปรับให้เข้ากับวัสดุแคโทดไฟฟ้าแรงสูงและขั้วบวกลิเธียมโลหะ การนำไฟฟ้าและการเลือกไอออนที่ดีเยี่ยม ในขณะเดียวกัน ระดับความต่อเนื่องของอุปกรณ์และต้นทุนการผลิตก็มีข้อดีเช่นกัน ความสามารถรอบด้านมีความครอบคลุมมากที่สุด
ข้อเสีย: ความเสถียรในการลดลงต่ำเล็กน้อย เปราะ และอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวได้
อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์มีความแข็งแรงเชิงกลสูง มีเสถียรภาพทางความร้อนและอากาศที่ดี และมีหน้าต่างไฟฟ้าเคมีที่กว้าง อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์สามารถแบ่งออกเป็นสถานะผลึกและอสัณฐาน อิเล็กโทรไลต์ผลึกออกไซด์ทั่วไป ได้แก่ ประเภทเพอร์รอฟสไกต์, ประเภท LISICON, ประเภท NASICON และประเภทโกเมน อิเล็กโทรไลต์ออกไซด์สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูง มีอุณหภูมิการสลายตัวสูง และมีความแข็งแรงเชิงกลที่ดี อย่างไรก็ตาม ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกที่อุณหภูมิห้องต่ำ (<10-4 S/cm), it has poor contact with the solid-solid interface of the positive and negative electrodes, and it is usually thick (>200μm) ซึ่งช่วยลดความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก ด้วยการเติมองค์ประกอบและการปรับเปลี่ยนขอบเขตของเกรน ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องของอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์สามารถเพิ่มขึ้นเป็นลำดับ 10-3 S/cm การควบคุมปริมาตรของผลึกและการเติมสารเคลือบโพลีเมอร์สามารถปรับปรุงการสัมผัสระหว่างพื้นผิวระหว่างอิเล็กโทรไลต์ออกไซด์กับอิเล็กโทรดบวกและลบได้ เยื่ออิเล็กโทรไลต์แข็งบางเฉียบสามารถผลิตได้โดยวิธีการเคลือบสารละลาย/สารละลาย
อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์:
ข้อดี: การนำไอออนสูง ความต้านทานขอบเขตเกรนเล็ก ความเหนียวที่ดี และการเลือกไอออนที่ดี
ข้อเสีย: ความเสถียรทางเคมีต่ำ จะทำปฏิกิริยากับโลหะลิเธียม และทำปฏิกิริยากับอากาศชื้นได้ง่าย ต้นทุนสูงกว่าและคุณสมบัติทางกลไม่ดี ปัจจุบันการผลิตยังคงต้องดำเนินการในกล่องถุงมือ ทำให้ยากต่อการผลิตจำนวนมากในปริมาณมาก
อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องสูงและมีความเหนียวที่ดี และสามารถปรับปรุงความเสถียรได้ด้วยการเติมสารโด๊ปและการเคลือบ ปัจจุบันอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีอยู่สามรูปแบบหลัก: แก้ว แก้วเซรามิก และคริสตัล อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องสูง ซึ่งสามารถใกล้เคียงกับค่าการนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์เหลว (10-4-10-2 S/cm) มีความแข็งปานกลาง มีการสัมผัสทางกายภาพที่ดี และมีคุณสมบัติทางกลที่ดี เป็นวัสดุที่อาจมีความสำคัญสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตต อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีหน้าต่างเคมีไฟฟ้าแคบ ความเสถียรของส่วนต่อประสานกับอิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบต่ำ และมีความไวต่อความชื้นสูง สามารถทำปฏิกิริยากับน้ำปริมาณเล็กน้อยในอากาศ และปล่อยก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เป็นพิษออกมา การผลิต การขนส่ง และการแปรรูปมีข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่สูงมาก วิธีการปรับเปลี่ยน เช่น การเติมและการเคลือบสามารถทำให้ส่วนเชื่อมต่อระหว่างซัลไฟด์กับอิเล็กโทรดบวกและลบมีความเสถียร ทำให้เหมาะสำหรับวัสดุอิเล็กโทรดบวกและลบประเภทต่างๆ และยังใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์อีกด้วย
การเตรียมแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมสูง อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีค่าการนำไฟฟ้าสูงและค่อนข้างอ่อน และสามารถผลิตได้โดยวิธีการเคลือบ กระบวนการผลิตไม่แตกต่างจากกระบวนการผลิตแบตเตอรี่เหลวที่มีอยู่มากนัก แต่เพื่อปรับปรุงหน้าสัมผัสของแบตเตอรี่ โดยทั่วไปจำเป็นต้องทำการกดร้อนหลายครั้งหลังการเคลือบ และเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์เพื่อปรับปรุงหน้าสัมผัสของอินเทอร์เฟซ อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์มีความไวต่อความชื้นมากและสามารถทำปฏิกิริยากับปริมาณน้ำในอากาศเพื่อสร้างก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เป็นพิษ ดังนั้นข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมสำหรับการผลิตแบตเตอรี่จึงสูงมาก
โพลีเมอร์อิเล็กโทรไลต์:
ข้อดี: ปลอดภัยดี มีความยืดหยุ่นดี และหน้าสัมผัสอินเตอร์เฟซ ขึ้นรูปฟิล์มได้ง่าย
ข้อเสีย: ค่าการนำไฟฟ้าของไอออนิกต่ำมากที่อุณหภูมิห้องและความเสถียรทางความร้อนไม่ดี
มันมีความยืดหยุ่นและง่ายต่อการแปรรูป และสามารถปรับปรุงการนำไฟฟ้าได้ด้วยการเชื่อมโยงข้าม การผสม การกราฟต์ และการเติมพลาสติไซเซอร์ พื้นผิวโพลีเมอร์หลักที่ใช้ในอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ ได้แก่ PEO, PAN, PVDF, PA, PEC, PPC เป็นต้น เกลือลิเธียมหลักที่ใช้ ได้แก่ LiPF6, LiFSI, LiTFSI เป็นต้น อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์นั้นง่ายต่อการเตรียม มีความยืดหยุ่นและความสามารถในการแปรรูปที่ดี และสามารถนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นหรือแบตเตอรี่ที่มีรูปทรงแหวกแนว มีการสัมผัสทางกายภาพที่ดีกับขั้วบวกและขั้วลบ และกระบวนการนี้ค่อนข้างใกล้เคียงกับแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีอยู่ สามารถนำมาใช้อย่างง่ายดายในการผลิตแบตเตอรี่จำนวนมากโดยการเปลี่ยนอุปกรณ์ที่มีอยู่ อย่างไรก็ตาม ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกที่อุณหภูมิห้องของอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์โดยทั่วไปจะต่ำมาก (<10-6 S/cm). The most common PEO-based polymer electrolyte also has poor oxidation stability and can only be used for LFP positive electrodes. The room temperature conductivity of polymer electrolytes can be improved by cross-linking, blending, grafting, or adding a small amount of plasticizers with a variety of polymers. In-situ curing can improve the physical contact between the polymer electrolyte and the positive and negative electrodes to the level of liquid batteries. The design of asymmetric electrolytes can broaden the electrochemical window of polymer electrolytes. The battery manufacturing process developed earlier and is relatively mature. The polymer electrolyte layer can be prepared by dry or wet methods. Battery cells assembly is achieved through roll-to-roll compounding between electrodes and electrolytes. Both dry and wet methods are very mature, easy to manufacture large batteries, and are closest to the existing liquid battery preparation methods.
อิเล็กโทรไลต์เฮไลด์:
ข้อดี: ความต้านทานทางอิเล็กทรอนิกส์ต่ำ การเลือกไอออนสูง ความเสถียรในการลดสูง และไม่แตกง่าย
ข้อเสีย: ยังอยู่ในขั้นตอนห้องปฏิบัติการ มีเสถียรภาพทางเคมีและออกซิเดชันต่ำ และมีความต้านทานไอออนสูง
เนื่องจากข้อดีและข้อเสียที่โดดเด่นของเฮไลด์และโพลีเมอร์ การแข่งขันระดับโลกในอนาคตสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะมุ่งเน้นไปที่ออกไซด์และซัลไฟด์เป็นหลัก ในความเป็นจริง เนื่องจากความเสถียรทางเคมีต่ำ ประเภทของวัสดุที่สามารถเลือกใช้สำหรับอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์จึงแคบมาก แต่ตราบใดที่พบวัสดุที่เหมาะสมและความก้าวหน้าทางกระบวนการ ก็สามารถชดเชยข้อบกพร่องนี้ได้
อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของอุตสาหกรรม กระบวนการที่ซับซ้อนจะนำไปสู่ต้นทุนที่สูงขึ้นและเพดานขนาด ดังนั้น ปัจจุบันอิเล็กโทรไลต์ของแข็งออกไซด์จึงเป็นกระแสหลักในการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตต จากแบตเตอรี่เหลวไปจนถึงแบตเตอรี่โซลิดสเตต จะมีระยะแบตเตอรี่กึ่งแข็ง และระยะที่เหมาะสมที่สุดในขั้นตอนนี้คือเส้นทางออกไซด์ เป็นเพราะประสิทธิภาพที่ครอบคลุมและความได้เปรียบด้านต้นทุน แบตเตอรี่กึ่งโซลิดสเตตสามารถเปลี่ยนแบตเตอรี่ของเหลวในปัจจุบันได้รวดเร็วยิ่งขึ้น โดยค่อยๆ ใช้ประโยชน์จากข้อดีและความคุ้มค่าของแบตเตอรี่โซลิดสเตต
อย่างไรก็ตาม ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี ยังไม่มีความชัดเจนว่าโลกจะถูกครอบงำโดยออกไซด์หรือซัลไฟด์ในอนาคตหรือไม่ แกนหลักของเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตคือการวิจัยและพัฒนาอิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตต แม้ว่าวัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งในปัจจุบันจะมีความก้าวหน้าอย่างมาก แต่ก็ยังประสบปัญหาต่างๆ เช่น สภาพการนำไฟฟ้าต่ำ ความต้านทานต่อส่วนต่อประสานขนาดใหญ่ และค่าใช้จ่ายในการเตรียมการสูง จำเป็นต้องมีการวิจัยพื้นฐานและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่องเพื่อปรับปรุงค่าการนำไฟฟ้าและความคงตัวของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง
