การบดโซเดียมคาร์บอเนตให้เป็นผงละเอียดมากเป็นพิเศษจะช่วยแก้ปัญหาอัตราการคายประจุที่ต่ำของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนได้จริงหรือไม่?

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (SIBs) ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากมีทรัพยากรโซเดียมมากมาย ต้นทุนต่ำ และมีข้อดีในด้านประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำและความปลอดภัย อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่พัฒนาแล้ว SIBs ยังคงมีข้อเสียที่สำคัญประการหนึ่ง คือ ความสามารถในการชาร์จ/คายประจุอย่างรวดเร็วที่กระแสไฟฟ้าสูง (อัตรา C สูง) ความสามารถในการชาร์จ/คายประจุอย่างรวดเร็วหมายถึงความสามารถของแบตเตอรี่ในการรักษาความจุและช่วยให้สามารถชาร์จ/คายประจุได้อย่างรวดเร็วที่ความหนาแน่นกระแสสูง (อัตรา C สูง) มีข้อกล่าวอ้างที่เป็นที่นิยมว่า การบดละเอียดมากเป็นพิเศษ ของอุตสาหกรรม โซเดียมคาร์บอเนต (Na₂CO₃, โซดาแอช) — รีดิวซ์ ขนาดอนุภาค ไปสู่ระดับไมครอนย่อยหรือแม้แต่ระดับนาโนเมตรผ่านทาง การกัดด้วยเจ็ท หรือดาวเคราะห์ การบดลูกบอล — และการใช้เป็นสารเติมแต่งหรือสารตั้งต้นสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่โซเดียมได้อย่างมาก ฟังดูน่าสนใจ แต่ความเป็นจริงเป็นอย่างไร? มาวิเคราะห์กันอย่างมีเหตุผลดีกว่า.

บทบาทที่แท้จริงของโซเดียมคาร์บอเนตในแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

โซเดียมคาร์บอเนตมีบทบาทสำคัญมากในห่วงโซ่อุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซเดียมไอออน แต่ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นในฐานะ... สารตั้งต้นแหล่งโซเดียม สำหรับการสังเคราะห์วัสดุแคโทด:

แคโทดออกไซด์แบบหลายชั้น (เช่น NaₓTMO₂, TM = โลหะทรานซิชัน) มักสังเคราะห์โดยวิธี: Na₂CO₃ + คาร์บอเนต/ไฮดรอกไซด์/ออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน → การผสม → ปฏิกิริยาของแข็งที่อุณหภูมิสูง
สารประกอบโพลีแอนไอออนิกบางชนิด (เช่น Na₃V₂(PO₄)₃, NaFePO₄) ก็ใช้โซเดียมคาร์บอเนตเป็นแหล่งโซเดียมเช่นกัน
สารประกอบคล้ายพรัสเซียนบลูบางชนิดอาจมีโซเดียมคาร์บอเนตเป็นส่วนประกอบในการเตรียม

ในกรณีส่วนใหญ่ Na₂CO₃ จะถูกใช้หมดไปอย่างสมบูรณ์ในระหว่างปฏิกิริยาของแข็งที่อุณหภูมิสูง และจะไม่มีผลึก Na₂CO₃ อิสระเหลืออยู่ในผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย.

การบดละเอียดพิเศษนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงอะไรบ้าง?

การลดขนาดอนุภาคโซเดียมคาร์บอเนตทั่วไป (D50 โดยทั่วไปอยู่ที่ 10–50 ไมโครเมตร) ให้เหลือขนาด 1–5 ไมโครเมตร หรือแม้แต่ขนาดเล็กกว่าไมครอน จะส่งผลให้:

พื้นที่ผิวจำเพาะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (ตั้งแต่ประมาณ 1 ตร.ม./กรัม ถึง 10–30 ตร.ม./กรัม หรือสูงกว่า)
ปฏิกิริยาที่เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด (จลนศาสตร์ปฏิกิริยาของแข็งที่เร็วขึ้น)
ความสม่ำเสมอในการผสมที่ดีขึ้น (การผสมในระดับใกล้เคียงอะตอมทำได้ง่ายกว่าเมื่อใช้สารตั้งต้นอื่นๆ)

การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถนำมาซึ่งประโยชน์ด้านกระบวนการและประสิทธิภาพได้อย่างแท้จริง:

ระยะเวลาการเผาผนึกสั้นลงและอุณหภูมิการเผาผนึกต่ำลง (ประหยัดพลังงาน)
ลดการจับตัวกันของอนุภาค ทำให้ได้อนุภาคปฐมภูมิที่มีขนาดเล็กลง หรืออนุภาคทุติยภูมิที่มีความสม่ำเสมอมากขึ้น
ช่วยให้เกิดโครงสร้างแบบชั้นที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นและมีเฟสสิ่งเจือปนน้อยลง
ในบางระบบ ประสิทธิภาพคูลอมบิกในรอบแรกและความเสถียรในการใช้งานจะดีขึ้นเล็กน้อย

อย่างไรก็ตาม การปรับปรุงเหล่านี้ส่วนใหญ่เกิดขึ้นในขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสังเคราะห์วัสดุเท่านั้น การมีส่วนร่วมต่อความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่ในขั้นสุดท้ายจึงเป็นไปโดยอ้อมและมีข้อจำกัด.

ปัจจัยหลักที่กำหนดความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนอย่างแท้จริง

สาเหตุหลักที่ทำให้ผลการดำเนินงานด้านอัตราดอกเบี้ยของธนาคารเพื่อการลงทุนขนาดใหญ่ (SIBs) ไม่ดี ได้แก่:

รัศมีไอออนของ Na⁺ มีขนาดใหญ่กว่า (1.02 Å เทียบกับ Li⁺ 0.76 Å) ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ในสถานะของแข็งโดยทั่วไปต่ำกว่า 1-2 อันดับความ magnitude
ในวัสดุแคโทดส่วนใหญ่ (โดยเฉพาะออกไซด์แบบชั้นชนิด O3) เส้นทางการแพร่ของ Na⁺ จะคดเคี้ยวมากขึ้นและมีพลังงานกระตุ้นสูงขึ้น
ความต้านทานการถ่ายโอนประจุที่ส่วนต่อประสานมีค่าสูงขึ้น (โดยเฉพาะที่อัตราสูง)
โดยธรรมชาติแล้ว จลนศาสตร์การเติมโซเดียม/การคายโซเดียมของขั้วบวกคาร์บอนแข็งนั้นช้ากว่าการแทรกตัวของลิเธียมเข้าไปในกราไฟต์

แนวทางแก้ไขที่มีประสิทธิภาพ ได้แก่:

การออกแบบโครงสร้างแคโทด (แบบ P2 > แบบ O3, การขยายระยะห่างระหว่างชั้น, การเติมธาตุ)
พื้นผิว การเคลือบ (คาร์บอน ออกไซด์ ฟลูออไรด์ ฯลฯ)
โครงสร้างระดับนาโนหรือสถาปัตยกรรมที่มีรูพรุน
การปรับปรุงคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์ (ความเข้มข้นสูง ความหนืดต่ำ การละลายต่ำ)
วิศวกรรมอิเล็กโทรด (การปรับความหนาและความพรุนของอิเล็กโทรดให้เหมาะสม)

การบด Na₂CO₃ ให้ละเอียดมากเป็นพิเศษ แม้ว่าจะช่วยให้ได้อนุภาคที่สม่ำเสมอมากขึ้นและมีข้อบกพร่องในผลึกน้อยลงในแคโทดที่สังเคราะห์ขึ้น แต่ก็ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงอัตราการแพร่ของ Na⁺ ในโครงสร้างผลึกได้อย่างพื้นฐาน และไม่สามารถลดความต้านทานที่ส่วนต่อประสานในอัตราสูงได้อย่างมีนัยสำคัญ.

หลักฐานจากวรรณกรรมและแนวปฏิบัติในอุตสาหกรรม

จากเอกสารทางวิชาการและรายงานอุตสาหกรรมที่ตีพิมพ์:

ประสิทธิภาพอัตราการคายประจุที่โดดเด่น (เช่น การรักษาความจุ >80–90% ที่ 5C) ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับออกไซด์แบบชั้นชนิด P2 + การปรับเปลี่ยนพื้นผิว + อิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสม มากกว่าขนาดอนุภาคของโซเดียมคาร์บอเนตเพียงอย่างเดียว
สิทธิบัตรหรือรายงานบางฉบับกล่าวถึงการใช้ Na₂CO₃ ที่ละเอียดมากเพื่อปรับปรุงความสม่ำเสมอของวัสดุ แต่มีเพียงไม่กี่ฉบับที่อ้างโดยตรงว่า "โซเดียมคาร์บอเนตที่บดละเอียดมากช่วยแก้ปัญหาอัตราการไหลที่ไม่ดี"“
ข้อมูลอัตราสูงที่เผยแพร่โดยผู้เล่นในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ระบุว่าการปรับปรุงเกิดจากการออกแบบโครงสร้างผลึกและการเพิ่มประสิทธิภาพระบบอิเล็กโทรด/อิเล็กโทรไลต์

คำถามที่พบบ่อยและคำตอบที่สมเหตุสมผล

คำถามที่ 1: หลังจากบดโซเดียมคาร์บอเนตให้ละเอียดมากแล้ว สามารถนำไปเติมลงในสารละลายขั้วบวกโดยตรงในฐานะสารเติมแต่งหรือสารนำไฟฟ้าเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพด้านอัตราการทำงานได้อย่างมีนัยสำคัญหรือไม่?

คำตอบไม่ มันทำไม่ได้ และมันจะไม่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้านอัตราค่าบริการอย่างมีนัยสำคัญ.

Na₂CO₃ เป็นฉนวนไฟฟ้าที่มีคุณสมบัติการนำไฟฟ้าต่ำมาก การบดให้เป็นผงละเอียดมากจะช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะเท่านั้น แต่ไม่ได้ทำให้มีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า การเติมโดยตรงอาจทำให้เกิดสิ่งเจือปน เพิ่มความต้านทานที่ส่วนต่อประสาน หรือทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงกับอิเล็กโทรไลต์ได้.

ในเอกสารทางวิชาการและการปฏิบัติทางอุตสาหกรรม Na₂CO₃ ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นของแหล่งโซเดียมในขั้นตอนการสังเคราะห์ของแข็งที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น โดยจะถูกใช้ไปจนหมดในปฏิกิริยาและไม่เหลือเป็นอนุภาคอิสระในวัสดุแคโทดขั้นสุดท้าย แม้ว่า Na₂CO₃ ที่มีอนุภาคละเอียดมากจะช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอในการผสมได้ แต่ส่วนช่วยในการรักษาความจุที่อัตราสูง (เช่น >80% ที่ 5C หรือ 10C) นั้นมีจำกัดอย่างมาก แบตเตอรี่โซเดียมอัตราสูงในปัจจุบัน (เช่น ตัวอย่างจาก CATL หรือ Zhongke Haina ที่สามารถรักษาความจุได้ประมาณ 90% ที่ 5C) อาศัยการออกแบบโครงสร้างแบบชั้น P2 การเคลือบผิว การปรับปรุงอิเล็กโทรไลต์ และการดัดแปลงแอโนดคาร์บอนแข็งเป็นหลัก ไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาคของ Na₂CO₃.

คำถามที่ 2: เมื่อใช้โซเดียมคาร์บอเนตที่บดละเอียดมากในการสังเคราะห์วัสดุแคโทด ขนาดอนุภาคที่ละเอียดกว่าจะนำไปสู่ประสิทธิภาพด้านอัตราการคายประจุที่ดีกว่าในแบตเตอรี่ขั้นสุดท้ายเสมอหรือไม่ มี "ขนาดอนุภาคที่เหมาะสมที่สุด" หรือไม่

คำตอบอนุภาคที่ละเอียดกว่าช่วยให้กระบวนการสังเคราะห์ดีขึ้น แต่การปรับปรุงประสิทธิภาพในอัตราการผลิตสูงนั้นแสดงให้เห็นผลตอบแทนที่ลดลงอย่างชัดเจน และอาจส่งผลเสียหากมากเกินไป ไม่มี "ขนาดอนุภาคที่เหมาะสมที่สุด" ที่เป็นสากลซึ่งจะกำหนดความสามารถในการผลิตในอัตราสูงโดยตรง.

ประโยชน์ (D50 ลดลงเหลือต่ำกว่า 1 μm):

การผสมสารตั้งต้นโลหะทรานซิชันให้มีความสม่ำเสมอมากขึ้น ช่วยลดความแตกต่างของความเข้มข้นของโซเดียมในแต่ละจุด
ปฏิกิริยาของแข็งที่เกิดขึ้นเร็วขึ้น ช่วยให้สามารถใช้อุณหภูมิการเผาผนึกที่ต่ำลงหรือระยะเวลาการคงสภาพที่สั้นลงได้
การกระจายตัวของอนุภาคปฐมภูมิ/ทุติยภูมิที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้นหลังการเผาผนึก ข้อบกพร่องน้อยลง ประสิทธิภาพคูลอมบิกในรอบแรกดีขึ้น และเสถียรภาพในการใช้งานที่อัตราปานกลางถึงต่ำดีขึ้น

ข้อจำกัด:

อุปสรรคสำคัญสำหรับประสิทธิภาพการผลิตในอัตราสูงนั้นเกิดจากการแพร่กระจายของ Na^+ ที่ช้า ความต้านทานที่ส่วนต่อประสานสูง และข้อจำกัดทางโครงสร้าง การปรับปรุงสารตั้งต้นเพียงอย่างเดียวสามารถช่วยบรรเทาปัญหาเหล่านี้ได้ทางอ้อมเท่านั้น โดยให้ผลลัพธ์เพียงเล็กน้อย (โดยทั่วไปแล้วปรับปรุงได้น้อยกว่า 5–101 TP3T) ความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับการปรับปรุงมากเกินไป (< 500 นาโนเมตร) ได้แก่ ความเสี่ยงต่อการจับตัวเป็นก้อน การดูดซับความชื้นและ CO2 ที่เพิ่มขึ้น ความเสถียรในอากาศที่ลดลง และต้นทุนการผลิตที่เพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก.

บทสรุป

การบดโซเดียมคาร์บอเนตให้เป็นผงละเอียดมากนั้นมีประโยชน์ แต่ผลของมันถูกกล่าวเกินจริงไปมาก.

โดยหลักแล้ว เทคโนโลยีนี้ช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของกระบวนการสังเคราะห์และความสม่ำเสมอของอนุภาคของวัสดุแคโทด ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพในรอบแรก ความเสถียรในการใช้งาน และความสม่ำเสมอระหว่างแต่ละล็อต ส่วนการปรับปรุงความสามารถในการจ่ายกระแสสูงนั้นเป็นเพียงส่วนเสริมและมีน้อยมาก ซึ่งไม่เพียงพอที่จะ "แก้ปัญหา" ปัญหาพื้นฐานของประสิทธิภาพการจ่ายกระแสสูงที่ต่ำในแบตเตอรี่โซเดียมไอออนได้.

แนวทางที่จะช่วยเพิ่มขีดความสามารถด้านอัตรา SIB อย่างแท้จริงและมีนัยสำคัญยังคงมีดังนี้:

การพัฒนาโครงสร้างแคโทดที่มีค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของ Na⁺ สูงขึ้น (แบบ P2 ที่มีระยะห่างกว้าง การปรับแต่งข้อบกพร่อง)
การเพิ่มประสิทธิภาพของส่วนต่อประสาน (การเคลือบผิว, SEI/CEI เทียม)
การปรับระบบอิเล็กโทรไลต์และแอโนดให้เหมาะสมกันอย่างลงตัว

สรุปสั้นๆ คือ โซเดียมคาร์บอเนตชนิดละเอียดพิเศษเป็น “ตัวช่วยที่ดี” แต่ไม่ใช่ “ผู้กอบกู้” การพึ่งพาโซเดียมคาร์บอเนตเพียงอย่างเดียวเพื่อให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่โซเดียมเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ลิเธียมนั้น ในปัจจุบันยังไม่สมจริง.

ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน