แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (แบตเตอรี่รอง) ความหมาย โครงสร้าง คุณสมบัติ สำรองวัตถุดิบ และการลดการสูญเสีย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเป็นแบตเตอรี่สำรองชนิดหนึ่ง เป็นระบบกักเก็บพลังงานแบบชาร์จไฟได้ที่จำเป็น ซึ่งให้พลังงานแก่เทคโนโลยีสมัยใหม่มากมาย ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานโดยการเคลื่อนตัวของไอออนลิเธียมระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ โดยมีตัวคั่นและอิเล็กโทรไลต์เป็นตัวอำนวยความสะดวก โดยแต่ละส่วนประกอบมีบทบาทสำคัญในการรับรองการกักเก็บและปล่อยพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ

 

แบตเตอรี่สำรองหรือที่เรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้หรือตัวสะสมพลังงานเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่สามารถชาร์จและปล่อยประจุได้หลายครั้ง

แบตเตอรี่สำรองใช้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบกลับคืนได้ ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่หลักที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานครั้งเดียว ซึ่งทำให้สามารถชาร์จซ้ำได้โดยใช้กระแสไฟฟ้าภายนอก

ความสามารถในการชาร์จซ้ำนี้ทำให้แบตเตอรี่สำรองมีประสิทธิภาพคุ้มทุนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในระยะยาว

ลักษณะสำคัญของแบตเตอรี่สำรอง ได้แก่:

• ความหนาแน่นของพลังงานและอัตราการปล่อยประจุสูง
• ประสิทธิภาพที่ดีที่อุณหภูมิต่ำ
• ความสามารถในการใช้เป็นทั้งอุปกรณ์กักเก็บพลังงานและแหล่งพลังงานแบบพกพา
• การใช้งานในสาขาต่างๆ รวมถึงยานยนต์ไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ระบบกักเก็บพลังงานหมุนเวียน และระบบพลังงานสำรองในอุตสาหกรรม
• ประเภททั่วไป ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเธียมไออน ตะกั่วกรด นิกเกิลแคดเมียม และนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์

แม้ว่าแบตเตอรี่สำรองจะมีข้อดีมากมาย แต่ก็อาจมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าและต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่หลัก

การวิจัยอย่างต่อเนื่องมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความยั่งยืนเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นของเทคโนโลยีสมัยใหม่และระบบพลังงาน

 

แบตเตอรี่สำรองมีหลายประเภท โดยแต่ละประเภทมีคุณสมบัติและการใช้งานที่แตกต่างกัน

ประเภทที่พบมากที่สุด ได้แก่:

• แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด: ขึ้นชื่อในเรื่องต้นทุนต่ำและการทำงานที่อุณหภูมิสูง/ต่ำได้ดี จึงใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ เครื่องตัดหญ้า และเครื่องบิน อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่เหล่านี้มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำและการเก็บประจุไม่ดี
• แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม (NiCd): มีความทนทานทางกายภาพและการเก็บประจุที่ดี แต่ประสบปัญหา "เอฟเฟกต์หน่วยความจำ" และมีแคดเมียมที่เป็นพิษ แบตเตอรี่เหล่านี้มักใช้ในเครื่องบินและการใช้งานพลังงานฉุกเฉิน
• แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (NiMH): ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ NiCd และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า แบตเตอรี่เหล่านี้มักใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคและอุปกรณ์พกพา
• แบตเตอรี่ลิเธียมไออน (Li-ion): มีความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดในบรรดาแบตเตอรี่สำรอง ทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาและยานพาหนะไฟฟ้า แบตเตอรี่เหล่านี้มีอายุการใช้งานยาวนานและไม่มีเอฟเฟกต์หน่วยความจำ แต่มีราคาแพงกว่าแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด

แบตเตอรี่รองแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อจำกัดของตัวเอง ทำให้เหมาะกับการใช้งานที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความหนาแน่นของพลังงาน ต้นทุน อายุการใช้งาน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการเหนือเทคโนโลยีแบตเตอรี่อื่น ทำให้เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการใช้งานหลายประเภท:

• ความหนาแน่นของพลังงานสูง: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมที่มีขนาดเท่ากันถึง 3-4 เท่า ทำให้อุปกรณ์ทำงานได้นานขึ้นและมีดีไซน์ที่เล็กและเบากว่า
• อายุการใช้งานยาวนาน: หากดูแลอย่างเหมาะสม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถชาร์จและคายประจุได้ 2,000 รอบหรือมากกว่านั้น โดยส่วนใหญ่ใช้งานได้นาน 8-10 ปี
• การชาร์จอย่างรวดเร็ว: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรองรับการชาร์จอย่างรวดเร็ว โดยบางระบบสามารถชาร์จเต็มความจุได้ภายในหนึ่งชั่วโมง
• การคายประจุเองต่ำ: เมื่อไม่ได้ใช้งาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะสูญเสียประจุเพียง 2-3% ต่อเดือน ทำให้รักษาพลังงานได้นานขึ้น
• ไม่มีเอฟเฟกต์หน่วยความจำ: ไม่เหมือนแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้อื่นๆ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่จำเป็นต้องคายประจุจนหมดก่อนชาร์จใหม่ ทำให้รักษาความจุได้เต็มที่

ข้อดีเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าแบบพกพาไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานหมุนเวียน

 

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อเสียหลายประการ แม้ว่าจะถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย:

• ข้อกังวลด้านความปลอดภัย: แบตเตอรี่ประเภทนี้มักเกิดการลัดวงจรความร้อน ซึ่งอาจนำไปสู่เพลิงไหม้หรือการระเบิดได้ โดยเฉพาะเมื่อได้รับความเสียหายหรือจัดการไม่ถูกต้อง
• ความไวต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง: ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานอาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากการสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงหรือต่ำมาก
• ต้นทุนการผลิตที่สูง: กระบวนการผลิตที่ซับซ้อนและวัสดุที่ใช้ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีราคาแพงกว่าทางเลือกอื่นๆ
• อายุการใช้งานจำกัด: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเสื่อมสภาพลงเมื่อเวลาผ่านไป โดยปกติจะทนต่อรอบการชาร์จได้เพียง 500-1,000 รอบก่อนที่ความจุจะลดลงอย่างมาก
• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม: การสกัดลิเธียมและวัสดุอื่นๆ อาจสร้างความเสียหายต่อระบบนิเวศ ปนเปื้อนแหล่งน้ำ และก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ

นอกจากนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังต้องมีวงจรป้องกันเพื่อป้องกันการชาร์จเกินและการคายประจุจนหมด ทำให้การออกแบบและการใช้งานมีความซับซ้อนมากขึ้น

ความต้องการแบตเตอรี่ประเภทนี้ที่เพิ่มมากขึ้นยังทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับการมีอยู่ของแร่ธาตุสำคัญ เช่น ลิเธียม โคบอลต์ และนิกเกิลในระยะยาวอีกด้วย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสี่ส่วน ได้แก่ แคโทด แอโนด อิเล็กโทรไลต์ และตัวคั่น

โดยปกติแล้ว แคโทดจะทำจากลิเธียมเมทัลออกไซด์ ในขณะที่แอโนดมักจะเป็นกราไฟต์

อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นเกลือลิเธียมที่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ ช่วยให้ไอออนเคลื่อนที่ระหว่างอิเล็กโทรดได้

ตัวคั่นที่มีรูพรุนขนาดเล็กจะป้องกันการสัมผัสโดยตรงระหว่างอิเล็กโทรดในขณะที่ให้ไอออนไหลได้

แบตเตอรี่ทำงานบนหลักการของการแทรกซึมของลิเธียมแบบกลับด้านได้

ในระหว่างการชาร์จ ไอออนลิเธียมจะเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนดผ่านอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่อิเล็กตรอนจะไหลผ่านวงจรภายนอก

กระบวนการนี้จะเก็บพลังงานไว้ในแบตเตอรี่ เมื่อทำการคายประจุ ไอออนและอิเล็กตรอนจะกลับทิศทางเพื่อปลดปล่อยพลังงานให้กับอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ

กลไก "เก้าอี้โยก" ของไอออนลิเธียมที่เคลื่อนที่ไปมาระหว่างอิเล็กโทรดทำให้แบตเตอรี่สามารถชาร์จซ้ำได้และใช้พลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 

ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ขั้วบวกและขั้วลบมีบทบาทสำคัญในกระบวนการเก็บและปล่อยพลังงาน ขั้วบวกซึ่งมักทำจากกราไฟต์ ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดลบระหว่างการคายประจุ โดยปล่อยไอออนลิเธียมและอิเล็กตรอน

ในทางกลับกัน ขั้วลบซึ่งมักประกอบด้วยสารประกอบที่เป็นลิเธียม เช่น ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดบวก โดยรับไอออนและอิเล็กตรอนเหล่านี้

ในระหว่างการชาร์จ บทบาทของทั้งสองจะย้อนกลับกัน โดยขั้วบวกจะรับไอออนลิเธียมและขั้วลบจะปล่อยไอออนเหล่านี้

กระบวนการที่ย้อนกลับได้ของการเคลื่อนที่ของไอออนระหว่างอิเล็กโทรด ซึ่งอำนวยความสะดวกโดยอิเล็กโทรไลต์ ช่วยให้แบตเตอรี่สามารถเก็บและจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 

แผ่นกั้นเป็นส่วนประกอบที่สำคัญในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยทำหน้าที่เป็นเยื่อที่สามารถซึมผ่านได้ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ

หน้าที่หลัก ได้แก่:

• ป้องกันการสัมผัสทางกายภาพระหว่างอิเล็กโทรดเพื่อหลีกเลี่ยงไฟฟ้าลัดวงจร
• ให้ไอออนสามารถเคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างที่มีรูพรุนได้ เพื่ออำนวยความสะดวกต่อปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี
• ให้การสนับสนุนทางกลและรักษาระยะห่างของอิเล็กโทรดให้เหมาะสม
• ทำหน้าที่เป็นแหล่งกักเก็บอิเล็กโทรไลต์เพื่อให้แน่ใจว่าไอออนกระจายตัวสม่ำเสมอ
• เพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่ด้วยความสามารถในการปิดระบบเนื่องจากความร้อน

แผ่นกั้นมักทำจากฟิล์มโพลีเมอร์ที่มีรูพรุนขนาดเล็ก เช่น โพลิเอทิลีนหรือโพลิโพรพิลีน ซึ่งออกแบบมาเพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีของแบตเตอรี่ในขณะที่ยังคงความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้

คุณสมบัติของแผ่นกั้น เช่น ความพรุน ความหนา และความเสถียรทางความร้อน ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

 

อิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นส่วนประกอบสำคัญที่ช่วยอำนวยความสะดวกในการขนส่งไอออนระหว่างอิเล็กโทรด โดยทั่วไปประกอบด้วยเกลือลิเธียมที่ละลายในตัวทำละลายอินทรีย์ โดยมีสารเติมแต่งเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความปลอดภัย

เกลือลิเธียมที่ใช้กันทั่วไปคือลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) ซึ่งขึ้นชื่อในเรื่องการนำไฟฟ้าและความเสถียรที่ยอดเยี่ยม

ตัวทำละลายอินทรีย์มักประกอบด้วยส่วนผสมของคาร์บอเนตแบบวงแหวน (เช่น เอทิลีนคาร์บอเนต) และคาร์บอเนตเชิงเส้น (เช่น ไดเมทิลคาร์บอเนต)

หน้าที่หลักของอิเล็กโทรไลต์ ได้แก่:

ลิเธียมไอออนที่นำไฟฟ้าระหว่างอิเล็กโทรดในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ
เป็นตัวกลางสำหรับปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า
สร้างชั้นป้องกันบนพื้นผิวอิเล็กโทรด ซึ่งเรียกว่าเฟสอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (SEI)
รับประกันความเสถียรทางความร้อนและเคมีภายในแบตเตอรี่

องค์ประกอบและคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ รวมถึงความหนาแน่นของพลังงาน เอาต์พุตพลังงาน และอายุการใช้งาน
การวิจัยอย่างต่อเนื่องมุ่งเน้นไปที่การพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ขั้นสูง เช่น อิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดสเตตและความเข้มข้นสูง เพื่อปรับปรุงความปลอดภัยและประสิทธิภาพในแบตเตอรี่รุ่นถัดไป

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องพึ่งพาวัตถุดิบหลักหลายอย่างในการผลิต โดยส่วนประกอบที่สำคัญที่สุด ได้แก่:

• ลิเธียม: จำเป็นสำหรับแคโทดและอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมักได้มาจากแหล่งน้ำเกลือหรือเหมืองหินแข็ง
• กราไฟต์: ใช้ในขั้วบวก มีทั้งแบบสังเคราะห์และแบบธรรมชาติ
• โคบอลต์: วัสดุแคโทดที่สำคัญ โดยส่วนใหญ่ขุดได้ในสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก
• นิกเกิล: มีความสำคัญเพิ่มขึ้นในเคมีแคโทดรุ่นใหม่เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน
• แมงกานีส: ใช้ในสูตรแคโทดบางสูตรเพื่อเพิ่มเสถียรภาพและลดต้นทุน
• ทองแดง: ใช้สำหรับตัวเก็บกระแสไฟฟ้าและสายไฟ

คาดว่าความต้องการวัสดุเหล่านี้จะเติบโตขึ้นอย่างมากเมื่อการใช้รถยนต์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่น คาดว่าความต้องการลิเธียมจะเพิ่มขึ้น 2.5 ถึง 5 เท่าภายในปี 2030 และอาจสูงถึง 240,000 ถึง 450,000 ตันต่อปี
แม้จะมีข้อกังวลเกี่ยวกับการขาดแคลนวัสดุ แต่ผู้เชี่ยวชาญโต้แย้งว่ายังมีทรัพยากรเพียงพอที่จะตอบสนองความต้องการในอนาคต โดยจะต้องขยายขอบเขตการสำรวจ การผลิต และการรีไซเคิลให้มากขึ้นตามไปด้วย

 

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นต้องพึ่งพาวัตถุดิบหลักหลายชนิด โดยมีปริมาณสำรองที่แตกต่างกันอย่างมากทั่วโลก ออสเตรเลียและชิลีมีปริมาณสำรองลิเธียมมากที่สุด โดยมีปริมาณสำรอง 9.3 ล้านและ 6.2 ล้านตันตามลำดับ มูลค่ารวมกันกว่า 5 แสนล้านดอลลาร์

นิกเกิล ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญในเคมีแคโทดขั้นสูง มีแหล่งทรัพยากรที่ระบุทั่วโลกทั้งหมด 300 ล้านตัน โดยมีแหล่งทรัพยากรที่สำคัญในอินโดนีเซีย ออสเตรเลีย และบราซิล

ทองแดง ซึ่งจำเป็นต่อการนำไฟฟ้าของแบตเตอรี่ มีแหล่งทรัพยากรที่ระบุทั่วโลก 2.1 พันล้านตัน โดยคาดว่ามีแหล่งทรัพยากรที่ยังไม่ค้นพบอีก 3.5 พันล้านตัน

ปริมาณสำรองโคบอลต์มีความเข้มข้นสูง โดยสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโกครองการผลิตส่วนใหญ่

แม้จะมีข้อกังวลเกี่ยวกับการขาดแคลนวัสดุ แต่ผู้เชี่ยวชาญก็แย้งว่าไม่มีการขาดแคลนวัตถุดิบพื้นฐานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

เมื่อความต้องการเพิ่มขึ้น การสำรวจและการผลิตแร่คุณภาพต่ำก็มีแนวโน้มที่จะขยายตัวขึ้น ทำให้มั่นใจได้ว่าจะมีอุปทานในระยะยาวสำหรับตลาดการจัดเก็บพลังงานและรถยนต์ไฟฟ้าที่กำลังเติบโต