แบตเตอรี่โซลิดสเตตปลอดภัยและมีความสามารถในการให้ระยะยาวหรือไม่?

ในคลื่นปัจจุบันของการพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานใหม่แบตเตอรี่โซลิดสเตตซึ่งเป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่รุ่นต่อไปที่มีแนวโน้มสูงได้ดึงดูดความสนใจอย่างกว้างขวางจากทุกช่วงชีวิต เนื่องจากข้อกำหนดของผู้คนสำหรับความอดทนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และช่วงขับรถของยานพาหนะไฟฟ้ายังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและการเน้นประสิทธิภาพความปลอดภัยของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นทุกวันแบตเตอรี่โซลิดสเตตคาดว่าจะได้รับการคาดการณ์อย่างมาก อย่างไรก็ตามก่อนที่จะได้รับความนิยมและแอปพลิเคชันขนาดใหญ่คำถามสำคัญที่อยู่ในใจของผู้บริโภค: แบตเตอรี่โซลิดสเตตปลอดภัยและสามารถให้ระยะยาวได้หรือไม่? เพื่อตอบคำถามนี้เราจำเป็นต้องเจาะลึกกลไกการทำงานลักษณะทางเทคนิคและการวิจัยในปัจจุบันและสถานะการใช้งานของแบตเตอรี่โซลิดสเตต

หลักการทำงานและลักษณะโครงสร้างของแบตเตอรี่โซลิดสเตต

ความแตกต่างหลักระหว่างแบตเตอรี่โซลิดสเตตและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลวแบบดั้งเดิมอยู่ในรูปของอิเล็กโทรไลต์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลวแบบดั้งเดิมใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวเพื่อให้ได้กระบวนการชาร์จและการคายประจุผ่านการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบ ในทางตรงกันข้ามแบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งซึ่งมักทำจากวัสดุเซรามิกพอลิเมอร์หรือซัลไฟด์ ในแบตเตอรี่โซลิดสเตตลิเธียมไอออนยัง deintercalate จากอิเล็กโทรดบวกในระหว่างการชาร์จและ intercalate เข้าไปในอิเล็กโทรดเชิงลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ในระหว่างการปลดปล่อยพวกมันจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามในขณะที่อิเล็กตรอนไหลจากอิเล็กโทรดเชิงลบไปยังอิเล็กโทรดบวกผ่านวงจรภายนอกสร้างกระแสไฟฟ้าเพื่อจ่ายไฟอุปกรณ์
การใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทำให้เกิดแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีลักษณะโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรไลต์ของเหลวซึ่งต้องใช้ตัวแยกเพื่อป้องกันการไหลเวียนของการไหลเวียนระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนั้นมีฟังก์ชั่นคู่ของการนำไอออนและการแยกอิเล็กโทรดทำให้โครงสร้างแบตเตอรี่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น ในขณะเดียวกันอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจะมีความเสถียรสูงกว่าและมีแนวโน้มที่จะระเหยและการรั่วไหลน้อยลงซึ่งวางรากฐานสำหรับประสิทธิภาพความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่ดีขึ้น

ประสิทธิภาพความปลอดภัยของแบตเตอรี่โซลิดสเตต

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลวแบบดั้งเดิมมีความเสี่ยงต่อการหลบหนีความร้อนภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่เกินเกณฑ์ที่กำหนดเช่น 80 องศาอิเล็กโทรไลต์ของเหลวอาจสลายตัวเพื่อผลิตก๊าซไวไฟและปฏิกิริยาด้านข้างภายในแบตเตอรี่ทวีความรุนแรงมากขึ้นนำไปสู่การสะสมความร้อนอย่างรวดเร็วและในที่สุดก็ทำให้แบตเตอรี่ติดไฟหรือระเบิด ข้อมูลจากหน่วยงานทดสอบTüvของเยอรมันเปิดเผยถึงอันตรายที่ซ่อนอยู่นี้อย่างชัดเจน
แบตเตอรี่โซลิดสเตตมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในความเสถียรทางความร้อน เนื่องจากไม่มีส่วนประกอบของเหลวระเหยและไวไฟในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งความเสถียรทางความร้อนของมันจะสูงกว่าอิเล็กโทรไลต์เหลวมาก การทดสอบการเจาะที่ดำเนินการโดยองค์กรพัฒนาพลังงานและเทคโนโลยีอุตสาหกรรมใหม่ (NEDO) ของญี่ปุ่นนั้นน่าประทับใจ: เมื่อเข็มเหล็กเจาะแบตเตอรี่ของรัฐโซลิดสเตตอุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นเพียง 2 องศาในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลวแบบดั้งเดิมจะติดไฟและระเบิดภายใน 3 วินาที ผลการทดลองนี้แสดงให้เห็นถึงความปลอดภัยที่เหนือกว่าของแบตเตอรี่โซลิดสเตตเมื่อเผชิญกับการใช้งานทางกลมาก
ในกระดาษชื่อ "แบตเตอรี่โซลิดสเตตปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (ของเหลว) หรือไม่?" ตีพิมพ์ในวิทยาศาสตร์ในเดือนเมษายน 2565 นักวิจัยได้กล่าวถึงการปล่อยความร้อนและการ จำกัด อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลวแบตเตอรี่กึ่งแข็งพร้อมอิเล็กโทรไลต์ในปริมาณหนึ่ง การศึกษาพบว่าในสภาวะความร้อนที่เกิดจากการให้ความร้อนภายนอกแบตเตอรี่ทั้งหมดของโซลิด-สเตตมีประสิทธิภาพสูงกว่าแบตเตอรี่กึ่งลิเธียม-ไอออนกึ่งแข็งและของเหลว ความหนาแน่นสูงของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งในแบตเตอรี่ทั้งหมดของรัฐ--รัฐสามารถสร้างสิ่งกีดขวางก๊าซที่มีประสิทธิภาพป้องกันการสัมผัสระหว่างลิเธียมบนอิเล็กโทรดเชิงลบและออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากอิเล็กโทรดบวก ในสถานการณ์สมมุตินี้จะไม่มีการปล่อยความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ

การยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียม dendrite

ในระหว่างกระบวนการชาร์จและการปลดปล่อยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมลิเธียมไอออนอาจตกผลึกโดยตรงบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดเชิงลบในระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็ว การเติบโตของลิเธียม dendrites ไม่เพียง แต่นำไปสู่ความจุของแบตเตอรี่ แต่ยังอาจเจาะตัวคั่นทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบและก่อให้เกิดเหตุการณ์ความปลอดภัย อันตรายที่ซ่อนอยู่นี้ถูกเปิดเผยโดยวิศวกรจาก CATL
แบตเตอรี่โซลิดสเตตแสดงศักยภาพในการยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเด็นไดท์ โครงสร้างและคุณสมบัติพิเศษของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสามารถให้เส้นทางที่สม่ำเสมอมากขึ้นสำหรับการย้ายถิ่นของลิเธียมไอออนลดความเป็นไปได้ของการก่อตัวของลิเธียม dendrite แม้ว่าการกำจัดการเติบโตของลิเธียมไดเซนไรต์อย่างสมบูรณ์ยังคงก่อให้เกิดความท้าทายในการใช้งานจริง

ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้น

แม้จะมีข้อได้เปรียบมากมายของแบตเตอรี่โซลิดสเตตในแง่ของความปลอดภัย แต่ก็ไม่ปลอดภัยอย่างแน่นอน ในบางกรณีที่รุนแรงเช่นเมื่ออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งล้มเหลวหรือลิเธียม dendrites เจาะอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งทำให้เกิดการลัดวงจรความปลอดภัยของแบตเตอรี่ทั้งหมดของแข็ง-รัฐและแบตเตอรี่กึ่งแข็งไม่ได้ดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของเหลว ศาสตราจารย์ AI Xinping จากคณะวิชาเคมีและวิทยาศาสตร์โมเลกุลที่มหาวิทยาลัยหวู่ฮันชี้ให้เห็นว่าการอ้างว่าแบตเตอรี่ของรัฐทั้งหมดมีทั้งความหนาแน่นพลังงานสูงและความปลอดภัยที่ดีนั้นเกี่ยวข้องกับความคิดของมือ เนื่องจากวัสดุบางชนิดในแบตเตอรี่ของแข็ง-รัฐอาจผลิตก๊าซพิษเช่นไฮโดรเจนซัลไฟด์ในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุแม้ว่าพวกเขาจะไม่เผาผลาญคนเช่นแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์จึงเป็นพิษและอาจก่อให้เกิดอันตรายร้ายแรงต่อร่างกายมนุษย์

ศักยภาพของแบตเตอรี่โซลิดสเตตในช่วง

ในทางทฤษฎีแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีศักยภาพในการบรรลุความหนาแน่นของพลังงานสูงซึ่งคาดว่าจะช่วยเพิ่มความอดทนของอุปกรณ์อย่างมีนัยสำคัญ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งช่วยให้การใช้ลิเธียมเมทัลลิกบริสุทธิ์เป็นอิเล็กโทรดเชิงลบซึ่งจะเพิ่มความสามารถในการจัดเก็บพลังงานอย่างมีนัยสำคัญต่อปริมาตรหน่วย ข้อมูลการทดลองจากสถาบันชีวภาพและเทคโนโลยีชีวภาพของกรุงชิงเต่าแสดงให้เห็นว่าความหนาแน่นพลังงานของตัวอย่างแบตเตอรี่โซลิดสเตตของพวกเขาเกิน 500wh\/กิโลกรัมในขณะที่ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ 21700 ที่ใช้ในรุ่นเทสลา 3
การยกตัวอย่างยานพาหนะไฟฟ้าเป็นตัวอย่างช่วงการขับขี่เป็นจุดสนใจของความสนใจของผู้บริโภคเสมอ แบตเตอรี่ Kunpeng จาก Chery ในฐานะตัวแทนของแบตเตอรี่โซลิดสเตตวางแผนที่จะได้รับความหนาแน่นพลังงาน 400wh\/kg ในปี 2567 และเพิ่มเป็น 600wh\/kg ในปี 2025 ตามแผนเมื่อผลิตจำนวนมากในปี 2027 หากเป้าหมายเหล่านี้บรรลุผลมันจะช่วยบรรเทาความวิตกกังวลในช่วงของผู้ใช้รถยนต์ไฟฟ้าได้อย่างมาก

ความท้าทายในช่วงจริง

อย่างไรก็ตามจากห้องปฏิบัติการไปจนถึงการใช้งานจริงแบตเตอรี่โซลิดสเตตยังคงเผชิญกับความท้าทายในแง่ของช่วง ประการแรกความต้านทานต่อการเชื่อมต่อระหว่างอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งและอิเล็กโทรดนั้นค่อนข้างโดดเด่นซึ่งคล้ายกับการตั้งค่าบูธโทรบนทางหลวงซึ่งขัดขวางการส่งไอออนลิเธียมอย่างรวดเร็วและส่งผลกระทบต่อการชาร์จของแบตเตอรี่ ประการที่สองข้อบกพร่องร้ายแรงของอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ซึ่งผลิตไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่เป็นพิษสูงเมื่อสัมผัสกับน้ำไม่เพียง แต่เพิ่มความเสี่ยงด้านความปลอดภัยในระหว่างการผลิตแบตเตอรี่และการใช้งาน แต่ยังก่อให้เกิดความท้าทายอย่างรุนแรงต่อความเสถียรและความน่าเชื่อถือของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ผลผลิตต่ำของการเตรียมฟิล์มอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนำไปสู่ต้นทุนการผลิตที่สูงในขนาดใหญ่ จำกัด การใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตอย่างกว้างขวางและส่งผลกระทบทางอ้อมต่อกระบวนการแสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบระยะยาวในตลาด

บทสรุปและมุมมอง

โดยสรุปแบตเตอรี่โซลิดสเตตแสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่สำคัญในแง่ของความปลอดภัยและช่วง ในแง่ของความปลอดภัยข้อดีของความมั่นคงทางความร้อนของพวกเขาจะเห็นได้ชัดและพวกเขาสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียม dendrite ได้อย่างมีประสิทธิภาพทำให้พวกเขาปลอดภัยและเชื่อถือได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมในกรณีส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตามเมื่อเผชิญกับสถานการณ์ที่รุนแรงเช่นอิเล็กโทรไลต์ที่ล้มเหลวยังคงมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยบางอย่าง ในแง่ของช่วงความได้เปรียบทางทฤษฎีของความหนาแน่นพลังงานสูงให้ความเป็นไปได้สำหรับระยะยาวและข้อมูลการทดลองและแผนการขององค์กรบางอย่างยังแสดงให้เห็นถึงโอกาสที่มีแนวโน้ม อย่างไรก็ตามในการใช้งานจริงปัญหาต่าง ๆ เช่นอิมพีแดนซ์อินเตอร์เฟสข้อบกพร่องของอิเล็กโทรไลต์และค่าใช้จ่ายได้กลายเป็นอุปสรรคที่ขัดขวางการตระหนักถึงข้อได้เปรียบระยะยาวของพวกเขาอย่างเต็มที่
แม้จะเผชิญกับความท้าทายมากมายแบตเตอรี่โซลิดสเตตยังคงได้รับการยกย่องว่าเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญสำหรับเทคโนโลยีแบตเตอรี่รุ่นต่อไป