แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเป็นแบตเตอรี่สำรองชนิดหนึ่ง เป็นระบบกักเก็บพลังงานแบบชาร์จไฟได้ที่จำเป็น ซึ่งให้พลังงานแก่เทคโนโลยีสมัยใหม่มากมาย ตั้งแต่สมาร์ทโฟนไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานโดยการเคลื่อนตัวของไอออนลิเธียมระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ โดยมีตัวคั่นและอิเล็กโทรไลต์เป็นตัวอำนวยความสะดวก โดยแต่ละส่วนประกอบมีบทบาทสำคัญในการรับรองการกักเก็บและปล่อยพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ
แบตเตอรี่สำรองหรือที่เรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้หรือตัวสะสมพลังงานเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่สามารถชาร์จและปล่อยประจุได้หลายครั้ง
แบตเตอรี่สำรองใช้ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบกลับคืนได้ ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่หลักที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานครั้งเดียว ซึ่งทำให้สามารถชาร์จซ้ำได้โดยใช้กระแสไฟฟ้าภายนอก
ความสามารถในการชาร์จซ้ำนี้ทำให้แบตเตอรี่สำรองมีประสิทธิภาพคุ้มทุนและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมในระยะยาว
ลักษณะสำคัญของแบตเตอรี่สำรอง ได้แก่:
แม้ว่าแบตเตอรี่สำรองจะมีข้อดีมากมาย แต่ก็อาจมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าและต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่หลัก
การวิจัยอย่างต่อเนื่องมุ่งเน้นไปที่การปรับปรุงประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความยั่งยืนเพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นของเทคโนโลยีสมัยใหม่และระบบพลังงาน
แบตเตอรี่สำรองมีหลายประเภท โดยแต่ละประเภทมีคุณสมบัติและการใช้งานที่แตกต่างกัน
ประเภทที่พบมากที่สุด ได้แก่:
แบตเตอรี่รองแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อจำกัดของตัวเอง ทำให้เหมาะกับการใช้งานที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความหนาแน่นของพลังงาน ต้นทุน อายุการใช้งาน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการเหนือเทคโนโลยีแบตเตอรี่อื่น ทำให้เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการใช้งานหลายประเภท:
ข้อดีเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าแบบพกพาไปจนถึงยานยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานหมุนเวียน
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีข้อเสียหลายประการ แม้ว่าจะถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย:
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:
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:
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
© Matsushima Measure Tech Co., Ltd.