วัสดุผงในแบตเตอรี่ลิเธียม — คุณรู้ไหมว่าชนิดใด?

แบตเตอรี่ลิเธียมส่วนใหญ่ประกอบด้วยขั้วบวก ขั้วลบ ตัวคั่น อิเล็กโทรไลต์ สารยึดเกาะ สารนำไฟฟ้า ตัวสะสมกระแสไฟฟ้า และวัสดุบรรจุภัณฑ์ เมื่อจำแนกตามชนิดของวัสดุแล้ว ขั้วบวก ขั้วลบ สารยึดเกาะ และสารนำไฟฟ้าจะประกอบด้วย วัสดุผง ในแบตเตอรี่ลิเธียม อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตบางชนิดเป็นวัสดุผง และสารแยกที่ผ่านการดัดแปลงบางชนิดก็มีวัสดุผงเช่นกัน

ขั้วบวก

Commercialized positive electrode materials include Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2), and Lithium Iron Phosphate (LiFePO4).

ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2):ของแข็งสีดำที่อุณหภูมิห้อง เป็นสารประกอบอนินทรีย์ที่ขึ้นชื่อเรื่องความเสถียร การสังเคราะห์ง่าย ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าสูง และอายุการใช้งานยาวนาน เป็นวัสดุแคโทดชนิดแรกที่ประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน และส่วนใหญ่ใช้ในแบตเตอรี่ 3C
ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn2O4):ผงสีดำเทาที่มีโครงสร้างผลึกสปิเนลแบบลูกบาศก์ ประกอบด้วยช่องลำเลียงลิเธียมไอออนสามช่อง ช่วยให้การแพร่กระจายไอออนรวดเร็วขึ้น จึงเหมาะสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จเร็ว
วัสดุบวกสามส่วน (LiNixMnyCozO2):วัสดุแคโทดเทอร์นารีที่ Ni และ Mn เข้ามาแทนที่ Co บางส่วนใน LiCoO2 สืบทอดความเสถียรของ LiCoO2 ความสามารถในการกลับคืนได้สูงของ LiNiO2 และความปลอดภัยของ LiMnO2 ปริมาณ Co ที่ต่ำลงช่วยลดต้นทุน ทำให้เป็นวัสดุแคโทดที่มีแนวโน้มดี
ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4):ด้วยโครงสร้างโอลิวีน จึงไม่ประกอบด้วยธาตุราคาแพงอย่างโคบอลต์ (Co) หรือนิกเกิล (Ni) คุ้มค่าคุ้มราคาด้วยวัตถุดิบที่อุดมสมบูรณ์ มีแรงดันไฟฟ้าทำงานปานกลาง (3.2V) ความจุจำเพาะสูง (170 mAh/g) พลังคายประจุสูง ความสามารถในการชาร์จเร็ว และอายุการใช้งานยาวนาน

ขั้วลบ

วัสดุอิเล็กโทรดลบที่นิยมใช้กัน ได้แก่ กราไฟต์ คาร์บอนแข็ง คาร์บอนอ่อน ลิเธียมไททาเนต และวัสดุซิลิคอน กราไฟต์เป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมากที่สุด และวัสดุซิลิคอนมีศักยภาพสูงสุด

กราไฟท์: Mainly composed of graphite, it has high conductivity, energy density, chemical stability, and low manufacturing costs. It is available in natural and artificial forms.
คาร์บอนแข็ง:คาร์บอนเป็นคาร์บอนที่ไม่เป็นกราไฟต์เมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง มีการจัดเรียงผลึกภายในแบบไร้ระเบียบและมีระยะห่างระหว่างชั้นที่กว้าง ช่วยให้เก็บประจุได้มากขึ้น ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่
คาร์บอนอ่อน:วัสดุนี้สามารถผ่านกระบวนการกราไฟต์ได้ง่ายที่อุณหภูมิสูงกว่า 2500°C มีความเป็นระเบียบสูง และให้แรงดันการชาร์จ/คายประจุต่ำและเสถียร มีความจุสูง ประสิทธิภาพสูง และประสิทธิภาพการหมุนเวียนที่ดี โครงสร้างขึ้นอยู่กับอุณหภูมิการเผาผนึก วัสดุคาร์บอนอ่อนที่เตรียมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 1000°C มีข้อบกพร่องจำนวนมาก ทำให้มีจุดใช้งานจำนวนมากสำหรับการจัดเก็บลิเธียม ซึ่งเอื้อต่อการแทรกและสกัดลิเธียมไอออนได้อย่างราบรื่น
ลิเธียมไททาเนต:ผงสีขาวที่มีแรงดันไฟฟ้าในการสกัดลิเธียมไอออนสูง (1.55V เทียบกับ Li/Li+) มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยสูงและ “ปราศจากความเครียด” ช่วยให้มั่นใจได้ว่ามีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างน้อยที่สุดระหว่างการใส่และการสกัดลิเธียมไอออน จึงมีอายุการใช้งานทางทฤษฎีที่ไม่จำกัด ดังนั้นจึงมีคุณค่าทางการวิจัยและโอกาสการนำไปใช้เชิงพาณิชย์อย่างมากในฐานะวัสดุอิเล็กโทรดลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับกักเก็บพลังงานและพลังงานไฟฟ้า
วัสดุที่ใช้ซิลิกอน:ประกอบด้วยนาโนซิลิคอนและซิลิคอนซับออกไซด์ วัสดุเหล่านี้ใช้สำหรับแอโนดซิลิคอน-คาร์บอนหรือซิลิคอน-ออกไซด์ แอโนดที่ทำจากซิลิคอนมีความจุจำเพาะและความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าวัสดุที่ทำจากคาร์บอนมาก ทำให้เป็นวัสดุแอโนดรุ่นใหม่ที่มีแนวโน้มดีที่สุด

แฟ้มเอกสาร

สารยึดเกาะ เช่น โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF) และยางสไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR) ถูกนำมาใช้ PVDF สามารถใช้ได้ทั้งขั้วบวกและขั้วลบ ในขณะที่ SBR มักใช้สำหรับขั้วบวก

โพลีไวนิลิดีนฟลูออไรด์ (PVDF):PVDF มีเสถียรภาพทางเคมีและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม ต้านทานการกัดกร่อนของตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติการยึดเกาะที่ดี ประสิทธิภาพเชิงกลที่ดี และความสามารถในการขึ้นรูปที่ดี ความยืดหยุ่นของ PVDF ช่วยให้มั่นใจได้ว่าสารออกฤทธิ์จะไม่หลุดออกระหว่างการขยายตัวและหดตัว
ยางสไตรีน-บิวทาไดอีน (SBR):SBR ถูกใช้อย่างแพร่หลายในฐานะสารยึดเกาะสูตรน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารยึดเกาะขั้วบวก ซึ่งการใช้งานประกอบด้วย 98% สารยึดเกาะนี้ให้การยึดเกาะที่แข็งแกร่ง มีเสถียรภาพเชิงกล และใช้งานง่าย ช่วยยึดอนุภาคเข้าด้วยกันและเพิ่มประสิทธิภาพพลวัตของแบตเตอรี่ ลดความต้านทาน และปรับปรุงเสถียรภาพในการหมุนเวียน

สารสื่อกระแสไฟฟ้า

Conductive agents are used to ensure good charge/discharge performance by collecting microcurrents and directing them to the current collector (aluminum or copper foil). Common conductive agents include carbon black, vapor-grown carbon fibers (VGCF), and carbon nanotubes (CNT).
คาร์บอนสีดำ:คาร์บอนอสัณฐาน เป็นผงสีดำละเอียดหลวมๆ เกิดจากการเผาไหม้สารอินทรีย์ที่ไม่สมบูรณ์และผ่านกระบวนการปรับสภาพด้วยอุณหภูมิสูงเพื่อปรับปรุงสภาพการนำไฟฟ้าและความบริสุทธิ์ คาร์บอนอสัณฐานเป็นสารนำไฟฟ้าที่นิยมใช้มากที่สุดในแบตเตอรี่ลิเธียม ช่วยเพิ่มการสัมผัสระหว่างอนุภาคและสร้างโครงข่ายตัวนำไฟฟ้า
เส้นใยคาร์บอนที่ปลูกด้วยไอ (VGCF):เส้นใยเหล่านี้มีโมดูลัสการดัดงอสูงและการขยายตัวทางความร้อนต่ำ การเพิ่ม VGCF ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นและเสถียรภาพเชิงกล ทำให้เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานและกำลังไฟฟ้าสูง เช่น แบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า
คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNT):ความต้านทานของ CNT มีค่าเพียงครึ่งหนึ่งของคาร์บอนแบล็ก ความต้านทานต่ำทำให้มีการนำไฟฟ้าที่ดี ปรับปรุงการโพลาไรเซชัน และทำให้ประสิทธิภาพรอบการทำงานดีขึ้น ปริมาณคาร์บอนแบล็กที่เติมเข้าไปอยู่ที่ประมาณ 3% ของน้ำหนักวัสดุอิเล็กโทรดบวก ในขณะที่ปริมาณ CNT ที่เติมเข้าไปมีเพียง 0.8%~1.5% ปริมาณที่เติมลงไปเพียงเล็กน้อยสามารถประหยัดพื้นที่สำหรับวัสดุแอคทีฟ จึงช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน อย่างไรก็ตาม CNT กระจายตัวได้ไม่ง่าย ปัจจุบันอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้การตัดด้วยความเร็วสูง การเติมสารกระจายตัว และเม็ดบดละเอียดพิเศษแบบกระจายตัวด้วยไฟฟ้าสถิตในการประมวลผล

อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตต

อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตบางชนิดยังอยู่ในสถานะผงด้วย:

เจอร์เมเนียมไดซัลไฟด์บริสุทธิ์สูง (GeS2):ผงสีขาวที่มีคุณสมบัติการนำไอออนสูง ความเสถียรทางเคมี และอายุการใช้งานยาวนาน สามารถให้ความบริสุทธิ์ได้ถึง 99.99%
ลิเธียมแลนทานัมเซอร์โคเนียมออกไซด์ (LLZO):วัสดุนี้มีคุณสมบัติการนำไอออนที่ดีเยี่ยม (1.5×10-4S/cm) และใช้สำหรับการเตรียมแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตต สามารถสังเคราะห์ได้โดยโซลเจล การเผาไหม้ที่อุณหภูมิต่ำ ไมโครอิมัลชัน และวิธีการอื่นๆ
ลิเธียมแลนทานัมเซอร์โคเนียมแทนทาลัมออกไซด์ (LLZTO):มีคุณสมบัติการนำไอออนสูง ความเสถียรทางเคมี และความเสถียรทางความร้อนสูง ด้วยการปรับปรุงกระบวนการเตรียมและโครงสร้างผลึกให้เหมาะสมที่สุด คุณสมบัติทางไฟฟ้าจึงสามารถปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของแบตเตอรี่โซลิดสเตตประสิทธิภาพสูง

ผงอิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตตอื่นๆ ได้แก่ แบเรียมซัลเฟต ลิเธียมฟอสฟอรัสซัลเฟอร์คลอไรด์ (ซัลไฟด์ที่มีความเสถียรสูง) และลิเธียมเจอร์เมเนียมฟอสฟอรัสซัลเฟอร์ซัลไฟด์

ตัวแยกแบตเตอรี่

เครื่องแยกแบบดั้งเดิมมีเสถียรภาพต่ำที่อุณหภูมิสูง ซึ่งส่งผลกระทบต่อความปลอดภัย เพื่อปรับปรุงความปลอดภัย เครื่องแยกจึงถูกปรับปรุงโดยการเติมผงเคลือบ ซึ่งเครื่องแยกที่ปรับปรุงเหล่านี้มีส่วนประกอบของผง

อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3)อะลูมิเนียมออกไซด์มีอยู่มากมายในธรรมชาติ มีคุณสมบัติเฉื่อยทางเคมี เสถียรภาพทางความร้อน และคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม มักถูกนำมาใช้ในเครื่องแยกเซรามิกเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องแยกโพลีโอเลฟิน นอกจากนี้ยังเป็นผงอนินทรีย์ที่ใช้ในการดัดแปลงไดอะแฟรมแบตเตอรี่ลิเธียมในปริมาณมาก
โบห์ไมต์ (AlOOH): โบห์ไมต์ หรือที่รู้จักกันในชื่อโมโนไฮเดรตอะลูมิเนียมออกไซด์ เป็นอะลูมิเนียมออกไซด์ชนิดหนึ่งที่มีน้ำเป็นผลึก เป็นสารตั้งต้นของอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ไม่สามารถทดแทนได้ การผลิต AlOOH นั้นง่ายกว่า α-Al2O3 ในอุตสาหกรรม สารละลายโบห์ไมต์สามารถผลิตได้โดยวิธีกิบบ์ไซต์ไฮโดรเทอร์มอล จากนั้นจึงได้ผง AlOOH ละเอียดมากโดยการกรอง อบแห้ง และบด
ไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO2):TiO2 ไม่เป็นพิษ เสถียร และควบคุมได้ง่ายในการเตรียมสาร ช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อนของตัวแยก ความสามารถในการเปียกของอิเล็กโทรไลต์ และลดความต้านทานของส่วนต่อประสาน จึงช่วยปรับปรุงการขนส่งลิเธียมไอออน เป็นวัสดุที่ดีสำหรับการปรับปรุงตัวแยกโพลิเมอร์อินทรีย์
ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2):SiO2 เป็นสารตัวเติมอนินทรีย์ทั่วไปที่ใช้ปรับเปลี่ยนพอลิเมอร์ พื้นที่ผิวขนาดใหญ่และหมู่ไฮดรอกซิล (Si-OH) ช่วยเพิ่มความสามารถในการเปียกของตัวแยก เพิ่มการขนส่งลิเธียมไอออน และปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า นอกจากนี้ SiO2 ยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลของตัวแยกและป้องกันการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ ช่วยลดการลัดวงจรจากความร้อน SiO2 แตกต่างจาก Al2O3, TiO2 และ AlOOH ตรงที่ควบคุมและปรับเปลี่ยนได้ง่ายกว่า

ผงมหากาพย์

Epic Powder specializes in providing advanced grinding solutions that are crucial for the production of powder materials in lithium batteries. With our state-of-the-art equipment, such as jet mills, ball mills, and air classifiers, we ensure precise control over particle size and distribution, optimizing the performance of critical battery materials like cathodes, anodes, and conductive agents. Our cutting-edge technologies not only enhance the efficiency of battery manufacturing but also support the development of next-generation solid-state and high-performance batteries. Partnering with Epic Powder means unlocking the potential of your powder materials in lithium batteries for superior energy storage solutions.