มหาวิทยาลัยโซลเทคพัฒนาวิธีการชาร์จแบตเตอรี่แบบเร็วพิเศษแบบใหม่เพื่อป้องกันการสะสมของลิเธียมที่เป็นอันตราย

ความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของรถยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงได้กระตุ้นความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จเร็วเป็นพิเศษ อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้ในปัจจุบันประสบปัญหาการสูญเสียพลังงานอย่างรุนแรงในระหว่างกระบวนการชาร์จเร็ว และอาจนำไปสู่ความเสียหายร้ายแรง ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงด้านความปลอดภัย สาเหตุหลักมาจากความไม่เสถียรทางเคมีไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสานระหว่างขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดการสะสมของโลหะลิเธียมที่เป็นอันตรายบนพื้นผิวแบตเตอรี่ และความไม่เสถียรทางความร้อน
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุแอโนดแรงดันสูงได้กลายเป็นทางเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่งในการยับยั้งการสะสมของลิเธียมมากเกินไปและการก่อตัวของชั้นอินเตอร์เฟสอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ที่ไม่เสถียร อย่างไรก็ตาม แม้จะมีจุดแข็งเหล่านี้ วัสดุที่ทันสมัยที่สุดในปัจจุบันก็ยังมีข้อจำกัดด้านการนำไฟฟ้าไอออนและความเสถียรทางความร้อนที่ไม่น่าพอใจ ซึ่งทำให้กำลังไฟฟ้าที่ได้และความน่าเชื่อถือในระยะยาวลดลง

จากรายงานของสื่อต่างประเทศ เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ ทีมวิจัยนำโดยรองศาสตราจารย์ ดงวุค ฮัน จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติโซล ได้พัฒนาวัสดุแอโนดลิเธียมไทเทเนียมฟอสเฟตแบบไม่สมดุลทางเคมี (OS) ที่มีโครงสร้างแบบ NASICON วัสดุนี้เป็นที่รู้จักกันดีในด้านความเสถียรทางโครงสร้างและความร้อนที่ยอดเยี่ยม การออกแบบนี้สามารถกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสโดยธรรมชาติใต้พื้นผิวของอนุภาควัสดุที่ใช้งานอยู่ เพื่อเอาชนะข้อจำกัดทางจลศาสตร์และบรรลุประสิทธิภาพการชาร์จเร็วที่เสถียร
ผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Functional Materials แล้ว

การปรับเปลี่ยนพื้นผิวเพื่อเร่งการขนส่งไอออน

ลิเธียมไทเทเนียมฟอสเฟต (LTP) มีโครงสร้างแบบโซเดียมซูเปอร์ไอออนิกคอนดักเตอร์ (NASICON) ซึ่งมีเสถียรภาพทางโครงสร้างและความร้อนที่ยอดเยี่ยม รวมถึงช่องทางการแพร่กระจายของลิเธียมไอออนที่รวดเร็ว เพื่อให้ได้ประโยชน์สูงสุด นักวิจัยจึงใช้กลยุทธ์การออกแบบที่ไม่เป็นไปตามสัดส่วนทางเคมี และจงใจเพิ่มอัตราส่วนของฟอสฟอรัส (P) ต่อไทเทเนียม (Ti) องค์ประกอบที่มีไทเทเนียมไม่เพียงพอเช่นนี้จะสร้างโดเมนไทเทเนียมฟอสเฟต (TPO) ใกล้กับพื้นผิวของอนุภาค LTP
บริเวณที่มี TPO เข้มข้นเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นช่องทางจลศาสตร์ที่มีประสิทธิภาพสูง ช่วยลดอุปสรรคทางพลังงานสำหรับการขนส่งลิเธียมไอออนข้ามส่วนต่อประสานระหว่างขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์ และสร้างเส้นทางการถ่ายโอนไอออนที่รวดเร็วใกล้กับพื้นผิวอนุภาค นอกจากนี้ พันธะ P-O-P ที่มีความยืดหยุ่นสูงภายในโครงสร้าง TPO ยังให้ความยืดหยุ่นทางโครงสร้างเพื่อปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรในระหว่างรอบการชาร์จอย่างรวดเร็ว และปกป้องโครงสร้างแบบ NASICON จากความเสียหายที่ไม่สามารถแก้ไขได้

ประสิทธิภาพการทำงานที่เสถียรภายใต้สภาวะการชาร์จเร็ว

ดังนั้น ในการทดสอบความสามารถในการรับกระแส ซึ่งเป็นตัวบ่งชี้สำคัญที่ประเมินความสามารถในการชาร์จเร็ว ขั้วบวกคอมโพสิต OS-LTP-คาร์บอน (OS-LTP/C) สามารถรักษาความจุเริ่มต้นได้ถึง 86% อย่างน่าทึ่งภายใต้อัตราการชาร์จ 10C ในขณะที่ความจุของขั้วบวกคอมโพสิต LTP/C ดั้งเดิมลดลงอย่างมาก
วัสดุนี้ยังให้เสถียรภาพในการใช้งานที่ดีเยี่ยมหลังจากใช้งานไปแล้วกว่า 250 รอบ การจัดเรียงเซลล์แบบเต็มรูปแบบแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพด้านอัตราการคายประจุที่ดีเยี่ยมเช่นเดียวกัน และความเข้ากันได้อย่างกว้างขวางกับแคโทดแรงดันสูง

เส้นทางที่กว้างขึ้นสู่แบตเตอรี่ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น

“วิธีการของเราสร้างกระบวนทัศน์ใหม่สำหรับการออกแบบแบตเตอรี่ชาร์จเร็ว และสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวางกับระบบจัดเก็บพลังงานในอนาคตหลายระบบ รวมถึงแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตททั้งหมด” ฮันกล่าว “กลยุทธ์การออกแบบนี้สามารถทำให้รถยนต์ไฟฟ้าใช้งานได้จริงมากขึ้น โดยลดเวลาในการชาร์จ ปรับปรุงความปลอดภัย และสนับสนุนโครงข่ายไฟฟ้าพลังงานหมุนเวียน”
โดยสรุปแล้ว กลยุทธ์การออกแบบที่ไม่เป็นไปตามสัดส่วนทางเคมีนี้ ช่วยแก้ไขอุปสรรคสำคัญประการหนึ่งที่แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ต้องเผชิญ และนำเสนอแนวทางที่มีศักยภาพสำหรับเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานแบบชาร์จเร็วพิเศษที่พร้อมใช้งานเชิงพาณิชย์