ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีขั้นสูง ผงเซรามิกและผลิตภัณฑ์เซรามิกขั้นสูงจึงกลายเป็นวัสดุสำคัญและเป็นอุปสรรคสำคัญในสาขาเทคโนโลยีขั้นสูงบางสาขา อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียม, วัสดุเซรามิกบางชนิดมีบทบาทสำคัญในห่วงโซ่การผลิต วัสดุเหล่านี้อาจใช้เป็นอิเล็กโทรดหรือวัสดุแยกส่วนโดยตรง ใช้เป็นวัสดุบรรจุภัณฑ์ หรือทำหน้าที่เป็นวัสดุเสริมในกระบวนการผลิต ตลาดวัสดุเซรามิกกำลังเติบโตอย่างรวดเร็วเนื่องจากความต้องการจากภาคส่วนแบตเตอรี่ลิเธียม วันนี้เราจะมาดูรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุเซรามิกเหล่านั้นกัน วัสดุเซรามิก สิ่งเหล่านี้จำเป็นต่อการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม.
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยส่วนประกอบหลัก 5 ส่วน ได้แก่ วัสดุแคโทด วัสดุแอโนด แผ่นกั้น สารละลายอิเล็กโทรไลต์ และวัสดุบรรจุภัณฑ์ ในบรรดาส่วนประกอบเหล่านี้ แผ่นกั้นเป็นส่วนที่มีความท้าทายทางเทคนิคมากที่สุด วัสดุแบตเตอรี่, โดยมีต้นทุนอยู่ที่ 10% ถึง 14% ซึ่งเป็นรองเพียงวัสดุแคโทดเท่านั้น ในแบตเตอรี่ระดับไฮเอนด์ ต้นทุนของแผ่นกั้นอาจสูงถึง 20%.
ข้อเสียของตัวคั่นแบบดั้งเดิม
แผ่นกั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่เป็นเยื่อไมโครพรุนที่ทำจากโพลีเอทิลีน (PE) หรือโพลีโพรพีลีน (PP) แผ่นกั้นโพลีโอเลฟินเหล่านี้มีข้อเสียบางประการ ประการแรก เมื่ออุณหภูมิภายนอกถึงหรือเกินจุดหลอมเหลวของแผ่นกั้น แผ่นกั้นอาจหดตัวหรือละลาย ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือลัดวงจรภายในแบตเตอรี่ ดังนั้น การรักษาขนาดและรูปร่างของแผ่นกั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการเพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ประการที่สอง เนื่องจากขั้วของแผ่นกั้นโพลีโอเลฟินไม่ตรงกับขั้วของอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ แผ่นกั้นจึงมีการเปียกตัวกับอิเล็กโทรไลต์ได้ไม่ดี ซึ่งหมายความว่าในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุซ้ำๆ ความสามารถของแผ่นกั้นในการกักเก็บอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำนั้นอ่อนแอ จึงส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่.
ข้อดีของตัวแยกเซรามิกและวัสดุที่เป็นตัวแทน
ปัจจุบัน แผ่นแยกเซรามิกสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภทตามวิธีการผลิต วิธีหนึ่งคือการใช้แผ่นแยกโพลีโอเลฟินแบบดั้งเดิมหรือผ้าไม่ทอเป็นเยื่อฐาน จากนั้นจึงเคลือบด้วยชั้นเซรามิก การเคลือบ จากนั้นจึงนำไปใช้โดยวิธีการต่างๆ เช่น การเชื่อมติด การอัดร้อน หรือการปลูกถ่าย อีกวิธีหนึ่งคือการผสมอนุภาคเซรามิกขนาดนาโนลงในวัสดุอินทรีย์เพื่อสร้างสารละลายข้น จากนั้นจึงนำสารละลายข้นนี้ไปยืดเป็นแผ่นฟิล์มหรือทำเป็นผ้าไม่ทอ.
ด้วยการใช้งานแท็บเล็ตและรถยนต์ไฟฟ้าอย่างแพร่หลาย แผ่นกั้นโพลีโอเลฟินแบบดั้งเดิมจึงไม่สามารถตอบสนองความต้องการแรงดันสูงและความหนาแน่นพลังงานสูงได้อีกต่อไป เนื่องจากประสิทธิภาพที่ไม่ดีในด้านความทนทานต่อแรงดันสูงและอุณหภูมิสูง การใช้เทคโนโลยีการเคลือบแผ่นกั้นด้วยเซรามิกสามารถป้องกันจุดที่เกิดการลัดวงจรความร้อนในแบตเตอรี่จากการขยายตัว ซึ่งช่วยให้มีความปลอดภัยมากขึ้น โครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุอนินทรีย์ยังช่วยเพิ่มความทนทานต่อการหดตัวจากความร้อนของแผ่นกั้น นอกจากนี้ การเคลือบเซรามิกยังมีคุณสมบัติชอบน้ำ คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยเพิ่มการดูดซับอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสามารถปรับปรุงความสม่ำเสมอของการกระจายกระแสไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่ในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุได้.
วัสดุเซรามิกที่ใช้ทำตัวแยกที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุด ได้แก่ อลูมินาบริสุทธิ์สูง (Al2O3) และโบห์ไมต์ (AlOOH).
อะลูมินาบริสุทธิ์สูง (Al2O3)
อะลูมินาเป็นสารประกอบที่มีความแข็งสูง มีจุดหลอมเหลว 2054°C และจุดเดือด 2980°C เป็นผลึกที่มีพันธะไอออนิก มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง และ เคมี เนื่องจากมีความเฉื่อยสูง จึงเป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการเคลือบเซรามิกบนแผ่นกั้นแบตเตอรี่ ข้อดีของอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง ได้แก่:
- อายุการใช้งานยาวนาน: ช่วยลดการลัดวงจรขนาดเล็กทางกลระหว่างกระบวนการใช้งาน ทำให้ยืดอายุการใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพ.
- ประสิทธิภาพอัตราสูงนาโนอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถสร้างสารละลายของแข็งในแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพด้านอัตราการชาร์จ/คายประจุ และความเสถียรของวงจรการใช้งาน.
- การนำความร้อนที่ดีเยี่ยมนาโนอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ซึ่งช่วยในการถ่ายเทความร้อนเมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงขึ้น แก้ปัญหาการนำความร้อนที่ไม่ดีของวัสดุ PP/PE ได้.
- ความสามารถในการซึมซับที่ดีผงนาโนอะลูมินามีคุณสมบัติในการดูดซับและกักเก็บอิเล็กโทรไลต์ได้ดี.
- คุณสมบัติหน่วงไฟดีเยี่ยมอลูมินาเป็นวัสดุที่ทนไฟได้ดีเยี่ยม แม้ในอุณหภูมิสูง คุณสมบัติการทนไฟที่เหนือกว่าของมันก็สามารถป้องกันการลุกลามหรือการระเบิดในวงกว้างได้.
- การบล็อกกระแสไฟฟ้าในกรณีที่กระแสไฟฟ้าสูงเกินไป อลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูงสามารถกั้นกระแสไฟฟ้า ป้องกันการลัดวงจรที่อาจเกิดขึ้นจากความร้อนสูงเกินไปจนทำให้แผ่นกั้นละลายได้.
โบห์ไมต์ (อัลลูห์)
โบห์ไมต์บริสุทธิ์มีสีขาว มีโครงสร้างผลึกแบบโมโนคลินิก จัดอยู่ในระบบผลึกแบบออร์โธรอมบิก มีความแข็งตามมาตราโมห์ 3-3.5 และความหนาแน่นจำเพาะ 3.0-3.07 โบห์ไมต์เป็นสารตั้งต้นของ γ-Al2O3 และใช้ในงานหลากหลายประเภท เช่น วัสดุเซรามิก วัสดุคอมโพสิต สารเคลือบป้องกันพื้นผิว วัสดุทางแสง ตัวเร่งปฏิกิริยา และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์.
เมื่อเปรียบเทียบกับอะลูมินา โบห์ไมต์มีข้อดีดังต่อไปนี้:
- ความแข็งที่ต่ำกว่าโบห์ไมต์มีความแข็งต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดการสึกหรอทางกลระหว่างกระบวนการตัดและเคลือบ ทำให้มีต้นทุนที่คุ้มค่ากว่าอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง.
- ทนความร้อนสูงโบห์ไมต์มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยมและเข้ากันได้ดีกับวัสดุอินทรีย์.
- ความหนาแน่นต่ำกว่า: สำหรับน้ำหนักที่เท่ากัน โบห์ไมต์สามารถครอบคลุมพื้นที่ได้มากกว่าอะลูมินาถึง 251 ตัน³.
- ความสม่ำเสมอในการเคลือบที่ดีขึ้นสารเคลือบโบห์ไมต์มีความสม่ำเสมอกว่า ส่งผลให้ความต้านทานภายในต่ำลง.
- ลดการใช้พลังงานกระบวนการผลิตโบห์ไมต์มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า.
- การดูดซึมน้ำต่ำลง: โบห์ไมต์ดูดซับน้ำได้เพียงครึ่งหนึ่งของอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง.
- การผลิตที่ง่ายขึ้นการเตรียมโบห์ไมต์นั้นง่ายกว่าการเตรียมอะลูมินาที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งต้องผ่านกระบวนการเผา การบด และการคัดขนาด.
- เปลี่ยนได้ง่ายกว่าการเปลี่ยนมาใช้โบห์ไมต์ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงอุปกรณ์หรือกระบวนการของผู้ผลิตเครื่องแยกสารอย่างมีนัยสำคัญ และยังก่อให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์น้อยกว่าด้วย.
สารเติมแต่งแคโทด – เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO2)
การประยุกต์ใช้ผลิตภัณฑ์เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO2) ระดับนาโนในภาคพลังงานใหม่กำลังขยายตัว โดยมีการออกแบบแบตเตอรี่ลิเธียมจำนวนมากขึ้นที่ใช้ผงเซอร์โคเนียมออกไซด์เป็นสารเติมแต่งในขั้วแคโทดเพื่อรักษาเสถียรภาพของประสิทธิภาพแบตเตอรี่และเพิ่มอายุการใช้งาน ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเธียมที่มีส่วนประกอบของนิกเกล โคบอลต์ และแมงกานีส (LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2) เราจะมาพิจารณาว่าเซอร์โคเนียมออกไซด์ระดับนาโนมีอิทธิพลต่อประสิทธิภาพของวัสดุขั้วแคโทดอย่างไร.
ผลกระทบเชิงโครงสร้าง
การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ของ LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 ที่เจือด้วย ZrO2 เผยให้เห็นว่าการเติม ZrO2 ไม่ได้เปลี่ยนแปลงโครงสร้างโดยรวมของวัสดุ ซึ่งยังคงรักษาสภาพโครงสร้างแบบชั้นหกเหลี่ยมชนิด α-NaFeO2 ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุไว้.
ผลกระทบทางสัณฐานวิทยา
เมื่อระดับการเจือปน ZrO2 เพิ่มขึ้น ขนาดของอนุภาคหลักจะลดลงจากอนุภาคทรงบล็อกปกติขนาด 200–400 นาโนเมตร ไปเป็นกลุ่มก้อนหนาแน่นขนาด 100–200 นาโนเมตร อนุภาคขนาดใหญ่ที่เกิดจากการรวมตัวของอนุภาคหลักจะลดลงเหลือ 1–2 ไมโครเมตร รูปร่างทรงกลมของอนุภาคจะลดลงเมื่อมีการเจือปน ซึ่งช่วยให้การแพร่กระจายของลิเธียมไอออนง่ายขึ้น.
ผลกระทบทางไฟฟ้าเคมี
ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าวัสดุที่เติม ZrO2 มีความจุในการคายประจุสูงกว่า LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 ดั้งเดิม ซึ่งอาจเป็นเพราะขนาดที่เล็กกว่า ขนาดอนุภาค, ซึ่งช่วยลดระยะทางการแพร่ของลิเธียมไอออนและปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้า นอกจากนี้ ไอออน Zr4+ อาจเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวและก่อตัวเป็นสารละลายของแข็ง ซึ่งช่วยป้องกันการยุบตัวของโครงสร้างระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ และยังช่วยปกป้องวัสดุจากการละลายของโคบอลต์ ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของวงจร.
การเผาผนึกวัสดุแคโทด – อุปกรณ์เตาเผาเซรามิก
ด้วยความต้องการแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ความต้องการวัสดุแคโทดจึงพุ่งสูงขึ้น ส่งผลให้ผู้ผลิตเตาเผาในประเทศต้องปรับปรุงอุปกรณ์การผลิต วัสดุต่างๆ เช่น เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์และเซรามิกคอร์เดียไรต์-มัลไลต์จึงมีความต้องการเพิ่มขึ้นอย่างมาก.
แผ่นดัน
แผ่นดันวัสดุที่ใช้กันทั่วไปทำจากซิลิคอนคาร์ไบด์และคอรันดัม-มัลไลต์ โดยแผ่นซิลิคอนคาร์ไบด์ส่วนใหญ่ใช้สำหรับเตาเผาอุณหภูมิต่ำ อย่างไรก็ตาม การเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูงกว่า 1300°C ทำให้การใช้งานของแผ่นซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อจำกัด.
เบ้าหลอม
ในส่วนของเบ้าหลอมนั้น วัสดุที่ใช้ในการเผาผนึกวัสดุแคโทดมีหลากหลายชนิด เบ้าหลอมคอร์เดียไรต์-มัลไลต์เป็นที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียม เนื่องจากมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดีเยี่ยมและคุ้มค่า.
ลูกกลิ้ง
ลูกกลิ้งที่ใช้ในเตาเผาแบบลูกกลิ้ง ซึ่งใช้กันทั่วไปในการเผาผนึกวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ต้องทนต่ออุณหภูมิสูงและทนต่อการเสียรูปจากการคืบ วัสดุที่นิยมใช้สำหรับลูกกลิ้งเซรามิก ได้แก่ คอรันดัม อะลูมิโนซิลิเกต ซิลิกาหลอมเหลว และซิลิคอนคาร์ไบด์.
วัสดุเซรามิกอื่นๆ สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม
นอกจากนี้ ยังมีการใช้ผงเซรามิกหรือผลิตภัณฑ์เซรามิกอื่นๆ ในการเตรียมหรือประกอบแบตเตอรี่ลิเธียมด้วย ตัวอย่างเช่น อลูมินาละเอียดพิเศษที่มีความบริสุทธิ์สูงถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในแคโทด ทำหน้าที่เคลือบและเจือปน ผงไมโครซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถผสมกับกราไฟต์ ท่อนาโนคาร์บอน หรือนาโนไทเทเนียมไนไตรด์เพื่อสร้างวัสดุแอโนด การผสมผสานนี้ช่วยเพิ่มความจุและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ในกระบวนการปิดผนึกแบตเตอรี่ลิเธียม วงแหวนเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญ วงแหวนเหล่านี้ยังเป็นที่รู้จักในชื่อ "ตัวเชื่อมต่อปิดผนึกเซรามิกแบตเตอรี่พลังงานชนิดใหม่" ทำหน้าที่สร้างการเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้าที่ปิดผนึกระหว่างฝาครอบแบตเตอรี่และขั้วในรถยนต์ไฟฟ้า.
บทสรุป
ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีและวัสดุขั้นสูง มีความเป็นไปได้ว่าในอนาคตจะมีวัสดุเซรามิกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมนำมาใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมและภาคพลังงานใหม่โดยรวมมากขึ้น.
ขอบคุณที่อ่านนะคะ หวังว่าบทความของฉันจะเป็นประโยชน์นะคะ แสดงความคิดเห็นไว้ด้านล่างได้เลยค่ะ หรือหากมีข้อสงสัยเพิ่มเติม สามารถติดต่อตัวแทนฝ่ายบริการลูกค้าออนไลน์ของ Zelda ได้ค่ะ
— โพสต์โดย เอมิลี่ เฉิน