เราใช้เทคโนโลยีมากมายรอบตัวเราโดยปริยาย ตัวอย่างเช่น ไมโครคอมพิวเตอร์สำหรับโทรศัพท์ที่ทำงานโดยไม่ต้องชาร์จตลอดทั้งวัน แต่ฉันต้องการให้โทรศัพท์ใช้งานได้ 3-4 วันโดยไม่ต้องชาร์จ หรือรถยนต์ไฟฟ้าที่สามารถเดินทางได้ 1000 กิโลเมตร ชาร์จในเวลาไม่กี่นาที ... และเสียค่าใช้จ่ายน้อยกว่ารถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์เบนซิน มีการพูดคุยกันมากมายเกี่ยวกับแบตเตอรี่โซลิดสเตตในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่ตอนนี้เป็นอย่างไรบ้าง และต้องรออีกนานแค่ไหนถึง แบตเตอรี่โซลิดสเตต ลงเอยภายในอุปกรณ์ของเรา?
ตัวอย่างล่าสุดคือ Toyota ซึ่งประกาศเปิดตัวรถยนต์แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตในช่วงโอลิมปิกฤดูหนาว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เราใช้ในปัจจุบันมีข้อเสียบางประการที่แบตเตอรี่โซลิดสเตตพยายามแก้ไข
พวกเขามีอะไรที่เหมือนกัน?
ทั้งสองประเภทใช้ลิเธียมในการผลิตไฟฟ้าและโครงสร้างทั่วไปค่อนข้างคล้ายกัน พูดง่ายๆ ก็คือ พวกมันมีขั้วบวก (ขั้วลบ) ขั้วลบ (ขั้วบวก) และอิเล็กโทรไลต์
ความแตกต่างหลักของพวกเขาอยู่ในสถานะของอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งช่วยในการถ่ายโอนไอออนจากแคโทดไปยังแอโนดในระหว่างการชาร์จและในทางกลับกันระหว่างการคายประจุ กล่าวอีกนัยหนึ่ง อิเล็กโทรไลต์ควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างด้านลบและด้านบวกของแบตเตอรี่ ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว แต่แบตเตอรี่โซลิดสเตตก็ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเป็นชั้นบางๆ ตามชื่อของมัน
ทำไมสิ่งนี้จึงสำคัญ?
อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีข้อดีที่สำคัญหลายประการ:
- ความปลอดภัย: pอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกรด ระเหย และจุดไฟได้ง่ายที่อุณหภูมิสูง อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งต่างจากอิเล็กโทรไลต์ที่เสถียรกว่าและลดความเสี่ยงของไฟไหม้หรือการระเบิด
- สูงกว่า ความหนาแน่นของพลังงาน และเวลาในการชาร์จเร็วขึ้น: pความเสถียรที่เพิ่มขึ้นหมายความว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึง 50% ในขณะที่คาดว่าจะชาร์จถึง 80% ภายใน 12 นาที
ทางด้านซ้าย เราเห็นโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และทางขวา เราเห็นโครงสร้างของแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตต
3. น้ำหนักและขนาดที่เบากว่า: ในขณะที่ของเหลวภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำให้หนักขึ้น โครงสร้างที่กะทัดรัดของแบตเตอรี่โซลิดสเตตช่วยให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่น้อยลง
แบตเตอรีโซลิดสเตทจะมาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือไม่?
ตามทฤษฎีแล้วใช่หรืออย่างน้อยนั่นคือสิ่งที่กำลังมุ่งหน้าไป ผู้ผลิตรถยนต์จำนวนมากได้ลงทุนในเทคโนโลยีนี้แล้ว รวมถึง Volkswagen, Toyota, Ford และ BMW อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ เซลล์ของแบตเตอรี่โซลิดสเตตถูกผลิตขึ้นทีละเซลล์ในห้องปฏิบัติการ และเพื่อนำไปผลิตเป็นจำนวนมาก - งานที่มีราคาแพงและยังพัฒนาไม่เพียงพอ
เป็นการยากที่จะพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่จะมีความเสถียร เฉื่อยทางเคมี และเป็นตัวนำไอออนที่ดีระหว่างอิเล็กโทรด นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลต์มีราคาแพงเกินไปในการผลิตและมีแนวโน้มที่จะแตกร้าวเนื่องจากความเปราะบางเมื่อขยายและบีบอัดระหว่างการใช้งาน แต่บางทีในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนค่อยๆ มีราคาที่ไม่แพงมากขึ้น ก็จะเกิดขึ้น
มีการศึกษาอะไรบ้างที่ได้ทำไปแล้ว?
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการศึกษาที่น่าสนใจมากมายซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อแก้ปัญหานี้ นักวิจัยของ MIT ได้พัฒนาสิ่งที่เรียกว่าตัวนำไฟฟ้าอิออนผสมไอออน (MIEC) เช่นเดียวกับฉนวนไฟฟ้าและลิเธียมไอออน (ELI) เป็นสถาปัตยกรรมเซลล์สามมิติที่มีหลอด MIEC ระดับนาโน หลอดบรรจุด้วยลิเธียมซึ่งเป็นขั้วบวก ส่วนสำคัญของการค้นพบนี้คือโครงสร้างเซลล์ช่วยให้มีพื้นที่สำหรับลิเธียมขยายและหดตัวระหว่างการชาร์จและการคายประจุ "การหายใจ" ของแบตเตอรี่ช่วยป้องกันการแตกร้าว การเคลือบหลอด ELI ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันจากอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง นี่คือโครงสร้างของแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตต ซึ่งช่วยให้เราไม่ต้องเติมของเหลวหรือเจล ดังนั้นจึงช่วยให้เราหลีกเลี่ยงเดนไดรต์ได้
บริษัทที่ชื่อว่า ระบบจัดเก็บไอออน พัฒนาอิเล็กโทรไลต์เซรามิกแบบบางพิเศษที่มีความหนาประมาณ 10 ไมโครเมตร ซึ่งมีความหนาเท่ากับเครื่องแยกพลาสติกสมัยใหม่ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว อิเล็กโทรไลต์เซรามิกแต่ละด้านเคลือบด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์ที่บางเฉียบซึ่งช่วยลดความต้านทาน ต้นแบบแบตเตอรี่มีความจุพลังงานประมาณ 300 Wh/kg และสามารถชาร์จได้ภายใน 5-10 นาที สำหรับการเปรียบเทียบ: แบตเตอรี่ NCA สมัยใหม่มีความจุพลังงานประมาณ 250 Wh/kg
ณ นิทรรศการ CES ในปีนี้ Mecedes ได้จัดแสดงรถยนต์แนวคิด AVTR ซึ่งทำจากวัสดุที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งมีแบตเตอรี่ที่สามารถรีไซเคิลได้ทั้งหมด ในการให้สัมภาษณ์ Andreas Hintennach ผู้จัดการอาวุโสฝ่ายวิจัยแบตเตอรี่ของ Mercedes กล่าวว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบในห้องปฏิบัติการ และจะพร้อมใช้งานในอีก 10-15 ปี CATL (พันธมิตรด้านแบตเตอรี่ของจีนของเทสลา) ยังได้พัฒนาตัวอย่างแบตเตอรี่โซลิดสเตตตัวอย่าง แต่พวกเขารายงานว่าจะไม่ออกสู่ตลาดจนถึงปี 2030
คาดว่าจะมีการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตอย่างต่อเนื่อง จะได้รับการแก้ไข ตั้งแต่ปี 2025 แต่เริ่มแรกไม่ใช่ในอุตสาหกรรมยานยนต์
อ่าน: