ลักษณะเฉพาะและการดัดแปลงวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมชนิดต่างๆ

ในปี 1989 บริษัท SONY ค้นพบว่าปิโตรเลียมโค้กสามารถทดแทนลิเธียมในแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ซึ่งถือเป็นจุดเริ่มต้นของการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่ การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุขั้วบวกจึงเริ่มต้นขึ้นจากจุดนั้น ในช่วง 30 ปีต่อมา วัสดุขั้วบวกทั้งสามรุ่นก็ปรากฏขึ้น ได้แก่ วัสดุคาร์บอน ลิเธียมไททาเนต และวัสดุซิลิกอน บทความนี้จะแบ่งประเภทวัสดุออกเป็น 3 รุ่น วัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม โดยโครงสร้างและแนะนำคุณลักษณะและประสิทธิภาพโดยย่อ นอกจากนี้ยังทบทวนความคืบหน้าในการปรับปรุงวัสดุและทิศทางการพัฒนา โดยเน้นที่วัสดุขั้วบวกที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงรุ่นต่อไป แนวโน้มในอนาคตและสถานะปัจจุบันของวัสดุเหล่านี้จะถูกเน้นย้ำ

วัสดุคาร์บอน

ปัจจุบันวัสดุคาร์บอนเป็นวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมเชิงพาณิชย์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด โดยส่วนใหญ่ได้แก่ กราไฟท์ธรรมชาติ กราไฟท์เทียม คาร์บอนแข็ง คาร์บอนอ่อน และ MCMB ก่อนที่ขั้วบวกรุ่นต่อไปจะพัฒนา คาร์บอน โดยเฉพาะกราไฟท์ จะยังคงเป็นตัวเลือกหลัก

กราไฟท์

กราไฟต์แบ่งออกเป็นประเภทธรรมชาติและประเภทเทียมตามวัตถุดิบและวิธีการแปรรูป เนื่องจากมีศักยภาพของลิเธียมต่ำ ประสิทธิภาพเริ่มต้นสูง เสถียรภาพการหมุนเวียนที่ดี และต้นทุนต่ำ กราไฟต์จึงกลายเป็นวัสดุขั้วบวกที่เหมาะสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน

กราไฟท์ธรรมชาติ: โดยทั่วไปจะใช้เกล็ดกราไฟท์ธรรมชาติเป็นวัตถุดิบ จากนั้นแปรรูปให้เป็นกราไฟท์ทรงกลมโดยการดัดแปลง
แม้ว่าจะนิยมใช้กันอย่างกว้างขวาง แต่กราไฟต์ธรรมชาติก็มีข้อเสียหลายประการ ได้แก่ ข้อบกพร่องที่พื้นผิวจำนวนมากและพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ทำให้ประสิทธิภาพเริ่มต้นต่ำ สำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้พีซี จะเกิดการแทรกตัวร่วมกันอย่างรุนแรงของไอออนลิเธียมที่ละลายในตัวทำละลาย ส่งผลให้ชั้นขยายตัวและหลุดลอก แอนไอโซทรอปีที่รุนแรงจำกัดการแทรกลิเธียมไปที่ระนาบขอบ ส่งผลให้ประสิทธิภาพอัตราการทำงานต่ำและมีความเสี่ยงต่อการชุบลิเธียม

การดัดแปลงกราไฟท์ธรรมชาติ:

เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องของพื้นผิวและความทนทานต่ออิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ดีของกราไฟต์ธรรมชาติ จึงใช้สารลดแรงตึงผิวต่างๆ เพื่อการดัดแปลง

เพื่อจัดการกับแอนไอโซทรอปีที่แข็งแกร่งในกราไฟต์ธรรมชาติ การผลิตทางอุตสาหกรรมมักใช้การขึ้นรูปด้วยกลไกเพื่อสร้างทรงกลม โรงสีเจ็ท ใช้แรงกระแทกของอากาศเพื่อทำให้เกิดการชนกันของอนุภาคและตัดขอบที่คม วิธีนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการเจือปนสิ่งเจือปนและให้ประสิทธิภาพการทำให้เป็นทรงกลมสูง
อย่างไรก็ตาม มันทำให้เกิดการบดเป็นผงจำนวนมาก จึงส่งผลให้ผลผลิตต่ำ

กราไฟท์เทียม: โดยทั่วไปทำจากปิโตรเลียมโค้กที่มีความหนาแน่นหรือสารตั้งต้นของโค้กเข็ม ซึ่งหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่พบในกราไฟต์ธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม กราไฟต์เทียมยังคงมีประสิทธิภาพการทำงานต่ำ พฤติกรรมที่อุณหภูมิต่ำ และการชุบลิเธียมเนื่องจากความไม่สมดุลของผลึก แตกต่างจากกราไฟต์ธรรมชาติ กราไฟต์เทียมได้รับการดัดแปลงโดยการปรับโครงสร้างสัณฐานของอนุภาคเพื่อลดดัชนีการวางแนว (OI) โดยทั่วไป โค้กเข็มขนาด 8–10 ไมโครเมตรจะใช้เป็นสารตั้งต้นพร้อมกับพิทช์หรือสารยึดเกาะที่สามารถทำให้เป็นกราไฟต์ได้ในลักษณะเดียวกัน ผ่านการบำบัดด้วยเตาหมุน อนุภาคหลายอนุภาคจะถูกยึดเข้ากับอนุภาครอง (D50: 14–18 ไมโครเมตร) จากนั้นจึงทำให้เป็นกราไฟต์ ทำให้ค่า OI ลดลงอย่างมีประสิทธิภาพ

คาร์บอนอ่อน

คาร์บอนอ่อน หรือเรียกอีกอย่างว่าคาร์บอนที่สามารถทำให้เป็นกราไฟต์ได้ หมายถึงวัสดุคาร์บอนอสัณฐานที่สามารถเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 2,500 °C ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการเผาผนึกของสารตั้งต้น คาร์บอนอ่อนสามารถสร้างโครงสร้างผลึกได้สามแบบ ได้แก่ โครงสร้างอสัณฐาน โครงสร้างเทอร์โบสตราติก (ไม่เป็นระเบียบ) และโครงสร้างกราไฟต์ ซึ่งโครงสร้างหลังนี้เป็นกราไฟต์เทียมทั่วไป คาร์บอนอ่อนอสัณฐานที่มีผลึกต่ำและระยะห่างระหว่างชั้นมาก มีความเข้ากันได้ดีกับอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้มีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำที่ยอดเยี่ยมและอัตราเร็วที่ดี จึงดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวาง

Soft carbon has a high irreversible capacity during the first charge and discharge, a lower output voltage, and no distinct charge/discharge plateaus. As a result, it is generally not used independently as an anode material but rather as a coating or component.

คาร์บอนแข็ง

Hard carbon, also known as non-graphitizable carbon, is difficult to graphitize even at temperatures above 2500°C. It is typically produced by heat treatment of precursors at 500–1200°C. Common types of hard carbon include resin carbon, organic polymer pyrolysis carbon, carbon black, and biomass carbon. Phenolic resin, when pyrolyzed at 800°C, forms hard carbon with an initial charge capacity up to 800 mAh/g, and a d002 interlayer spacing greater than 0.37 nm (compared to 0.3354 nm for graphite). The larger interlayer spacing facilitates lithium-ion insertion and extraction, giving hard carbon excellent charge/discharge performance. This makes hard carbon a new research focus for anode materials. However, its drawbacks include high initial irreversible capacity, voltage plateau hysteresis, low tap density, and the tendency to generate gas, which cannot be overlooked.

วัสดุลิเธียมไททาเนต

ลิเธียมไททาเนต (LTO): ลิเธียมไททาเนต (LTO) เป็นออกไซด์คอมโพสิตที่ประกอบด้วยลิเธียมโลหะและไททาเนียมโลหะทรานซิชันศักย์ต่ำ ลิเธียมไททาเนตจัดอยู่ในกลุ่ม AB2X2 ของสารละลายของแข็งประเภทสปิเนล LTO มีความจุจำเพาะทางทฤษฎีที่ 175 mAh/g โดยมีความจุจำเพาะจริงมากกว่า 160 mAh/g ลิเธียมไททาเนตเป็นหนึ่งในวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมที่ออกสู่ตลาดแล้ว

ข้อได้เปรียบ

คุณสมบัติความเครียดเป็นศูนย์: LTO มีพารามิเตอร์โครงตาข่าย a = 0.836 นาโนเมตร ในระหว่างการชาร์จ/การคายประจุ การใส่/การสกัดลิเธียมมีผลกระทบต่อโครงสร้างผลึกเพียงเล็กน้อย ซึ่งช่วยป้องกันการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจากการขยาย/หดตัวของปริมาตร ทำให้มีเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าและอายุการใช้งานที่ยอดเยี่ยม

ไม่มีความเสี่ยงในการชุบลิเธียม: LTO มีศักยภาพการแทรกลิเธียมสูงถึง 1.55 V ไม่มีฟิล์ม SEI ก่อตัวระหว่างการชาร์จครั้งแรก ส่งผลให้มีประสิทธิภาพรอบแรกสูง มีเสถียรภาพทางความร้อนดี ความต้านทานอินเทอร์เฟซต่ำ และประสิทธิภาพอุณหภูมิต่ำที่ยอดเยี่ยม—สามารถชาร์จที่อุณหภูมิ -40°C

ตัวนำไอออนแบบเร็ว 3 มิติ: LTO มีโครงสร้างสปิเนล 3 มิติ โดยมีเส้นทางลิเธียมที่ใหญ่กว่าระยะห่างระหว่างชั้นของกราไฟต์มาก
ความสามารถในการนำไอออนของกราไฟต์มีค่าสูงกว่ากราไฟต์ถึงหนึ่งระดับ ทำให้เหมาะกับการชาร์จ/คายประจุที่อัตราสูง

ข้อเสีย

LTO also has drawbacks due to its low specific capacity and voltage plateau, resulting in low energy density. Its nanostructured form is highly hygroscopic, causing severe gas generation and poor high-temperature cycling. The material fabrication process is complex and costly. As a result, LTO cell costs are more than three times higher than those of equivalent-energy LFP (lithium iron phosphate) cells.

การประยุกต์ใช้วัสดุ

ข้อดีและข้อเสียของ LTO นั้นชัดเจนมาก โดยมีคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่ค่อนข้างสุดขั้ว ดังนั้นจึงเหมาะที่สุดที่จะนำไปใช้ในสาขาเฉพาะที่สามารถใช้จุดแข็งของ LTO ได้อย่างเต็มที่ ปัจจุบัน แบตเตอรี่ LTO ส่วนใหญ่ใช้ในรถบัส BRT ไฟฟ้าล้วนในเมือง รถบัสไฮบริดไฟฟ้า และการควบคุมความถี่ของโครงข่ายไฟฟ้าและบริการลดค่าพีค

วัสดุที่มีส่วนประกอบเป็นซิลิก้า

ซิลิกอนถือเป็นวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมที่มีแนวโน้มดีที่สุดชนิดหนึ่ง โดยมีความจุจำเพาะตามทฤษฎีสูงสุดถึง 4,200 mAh/g ซึ่งมากกว่ากราไฟต์ถึง 10 เท่า ศักยภาพในการแทรกลิเธียมของซิลิกอนสูงกว่าคาร์บอน ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงในการชุบลิเธียมและเพิ่มความปลอดภัย การวิจัยปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่สองทิศทางหลัก ได้แก่ คอมโพสิตคาร์บอนนาโนซิลิกอนและวัสดุขั้วบวกซิลิกอนออกไซด์ (SiOx)

ความท้าทายในการใช้งาน:

• การขยายตัวและหดตัวของปริมาตรที่มากในระหว่างการทำลิเธียม/การแยกไทเธียมทำให้อนุภาคถูกบดเป็นผงและโครงสร้างอิเล็กโทรดเสียหาย ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าล้มเหลว
• ฟิล์ม SEI ที่เกิดการแตกและสร้างใหม่อย่างต่อเนื่องเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรจะใช้สารอิเล็กโทรไลต์และลิเธียมแบบกลับได้ ทำให้ความจุลดลงอย่างรวดเร็วและประสิทธิภาพในการชาร์จ/คายประจุลดลงอย่างมาก

เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้พยายามค้นหาวิธีการใหม่ๆ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของแอโนดซิลิกอนอย่างจริงจัง แนวทางหลักคือการใช้กราไฟต์เป็นวัสดุพื้นฐานและเพิ่ม 5%–10% ตามมวลของนาโนซิลิกอนหรือ SiOx จากนั้นเคลือบด้วยคาร์บอนเพื่อยับยั้งการเปลี่ยนแปลงปริมาตรและเพิ่มเสถียรภาพของวงจร

บทสรุป

เอกสารนี้สรุปลักษณะโครงสร้างและคุณสมบัติการทำงานของวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนิดต่างๆ โดยทบทวนความคืบหน้าในการวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับวัสดุขั้วบวกชนิดต่างๆ ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ด้วยการปรับปรุงและปรับเปลี่ยนอย่างต่อเนื่อง วัสดุที่ใช้ซิลิกอนจึงกลายมาเป็นวัสดุขั้วบวกรุ่นต่อไปที่มีแนวโน้มดีที่สุด อย่างไรก็ตาม การขยายตัวของปริมาตรที่มากโดยธรรมชาติและประสิทธิภาพรอบการทำงานที่ไม่ดีเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานในขนาดใหญ่
วิธีการดัดแปลงล่าสุดจำนวนมากเผชิญกับความท้าทาย เช่น กระบวนการที่ซับซ้อนและต้นทุนที่สูง ซึ่งต้องอาศัยความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับหลักการพื้นฐานและการพัฒนาวิธีการที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพในการผลิตวัสดุนาโนซิลิกอนแบบผสม เป้าหมายคือการสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีการขยายตัวต่ำ ประสิทธิภาพเริ่มต้นสูง ความสามารถอัตราสูง และปลอดภัย ซึ่งจะปูทางไปสู่การใช้ขั้วบวกซิลิกอนเพื่อแทนที่กราไฟต์และบรรลุความก้าวหน้าในการใช้งานยานพาหนะไฟฟ้า

ผงวิเศษ

ผงมหากาพย์ประสบการณ์การทำงานในอุตสาหกรรมผงละเอียดมากว่า 20 ปี ส่งเสริมการพัฒนาผงละเอียดมากในอนาคตอย่างแข็งขัน โดยเน้นที่กระบวนการบด การบด การจำแนก และการปรับเปลี่ยนผงละเอียดมาก ติดต่อเราเพื่อขอคำปรึกษาฟรีและโซลูชันที่ปรับแต่งได้! ทีมผู้เชี่ยวชาญของเราทุ่มเทเพื่อจัดหาผลิตภัณฑ์และบริการคุณภาพสูงเพื่อเพิ่มมูลค่าให้กับการแปรรูปผงของคุณ Epic Powder—ผู้เชี่ยวชาญด้านการแปรรูปผงที่คุณวางใจได้!