วัสดุผงในแบตเตอรี่ลิเธียม — คุณรู้ไหมว่าชนิดใด?

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

ขั้วบวก

วัสดุอิเล็กโทรดบวกที่จำหน่ายในเชิงพาณิชย์ ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2), ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) และ ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (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:ประกอบด้วยกราไฟท์เป็นหลัก มีค่าการนำไฟฟ้าสูง ความหนาแน่นของพลังงาน เคมี ความเสถียร และต้นทุนการผลิตต่ำ มีให้เลือกทั้งแบบธรรมชาติและแบบสังเคราะห์
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

สารนำไฟฟ้าใช้เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการชาร์จ/คายประจุที่ดี โดยรวบรวมกระแสไมโครและส่งไปยังตัวเก็บกระแส (แผ่นอะลูมิเนียมหรือทองแดง) สารนำไฟฟ้าทั่วไป ได้แก่ คาร์บอนสีดำเส้นใยคาร์บอนที่เติบโตด้วยไอน้ำ (VGCF) และคาร์บอนนาโนทิวบ์ (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 เชี่ยวชาญด้านการจัดหาโซลูชันการบดขั้นสูงซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตผงวัสดุในแบตเตอรี่ลิเธียม ด้วยอุปกรณ์ที่ทันสมัยของเรา เช่น เครื่องบดแบบเจ็ท เครื่องบดแบบลูกบอล และเครื่องแยกประเภทอากาศ เราจึงมั่นใจในการควบคุมที่แม่นยำ ขนาดอนุภาค และการจัดจำหน่าย เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของวัสดุแบตเตอรี่ที่สำคัญ เช่น แคโทด แอโนด และสารนำไฟฟ้า เทคโนโลยีล้ำสมัยของเราไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังสนับสนุนการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตและแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงรุ่นใหม่ การเป็นพันธมิตรกับ Epic Powder หมายถึงการปลดล็อกศักยภาพของวัสดุผงในแบตเตอรี่ลิเธียมของคุณ เพื่อโซลูชันการกักเก็บพลังงานที่เหนือกว่า