พื้นหลัง:
นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีชีวพลังงานและกระบวนการชีวภาพชิงเต่า สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน ได้ประสบความสำเร็จครั้งสำคัญในแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมด ซึ่งอาจทำให้ความฝันของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กลงพร้อมอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้นเป็นจริงได้ ความก้าวหน้านี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ Nature Energy เมื่อวันที่ 31 กรกฎาคม
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ส่วนใหญ่จะเก็บและปล่อยพลังงานผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจแบตเตอรี่ชนิดใหม่—แบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมด ซึ่งใช้อิเล็กโทรไลต์ของแข็งแทนของเหลว ทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้นอย่างมาก
แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมดจะดูเหมือนเป็นอุดมคติ แต่การพัฒนาก็ต้องเผชิญกับความท้าทาย โดยหลักแล้ว คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพที่แตกต่างกันของวัสดุภายในขั้วบวกของแบตเตอรี่ทำให้ความเข้ากันได้อย่างสมบูรณ์แบบเป็นเรื่องยาก นำไปสู่ปัญหาอินเทอร์เฟซหลายอย่างที่ส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงานและอายุการใช้งาน เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ทีมวิจัยได้พัฒนาวัสดุใหม่: วัสดุขั้วบวกที่เป็นเนื้อเดียวกัน (ลิเธียมไทเทเนียมเจอร์เมเนียมฟอสโฟเซเลไนด์)
เมื่อเทียบกับวัสดุทั่วไป สารประกอบนี้มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ การนำไฟฟ้าสูง ความหนาแน่นของพลังงานสูง และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น:
การนำไฟฟ้าสูง: วัสดุใหม่นี้มีการนำไฟฟ้าทั้งไอออนิกและอิเล็กทรอนิกส์สูง ซึ่งเหนือกว่าวัสดุแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม (ขั้วบวกออกไซด์แบบชั้น) มากกว่า 1,000 เท่า สิ่งนี้ช่วยให้กระบวนการชาร์จและคายประจุเป็นไปอย่างราบรื่นโดยไม่ต้องพึ่งพาตัวเติมนำไฟฟ้า ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่อย่างมาก
ความจุในการคายประจุสูง: วัสดุใหม่นี้มีความจุในการคายประจุสูงถึง 250 mAh ต่อกรัม ซึ่งเหนือกว่าวัสดุขั้วบวกนิกเกิลสูงที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน ที่น้ำหนักหรือปริมาตรเท่ากัน แบตเตอรี่ที่รวมวัสดุนี้สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้น สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้ใช้งานได้นานขึ้นโดยไม่ต้องชาร์จบ่อยๆ จึงช่วยเพิ่มความทนทานเท่านั้น แต่ยังช่วยลดขนาดแบตเตอรี่ ทำให้การออกแบบอุปกรณ์มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น
การเปลี่ยนแปลงปริมาตรต่ำ: ในระหว่างรอบการชาร์จและคายประจุ วัสดุใหม่มีการเปลี่ยนแปลงปริมาตรเพียง 1.2% ซึ่งต่ำกว่า 50% ที่สังเกตได้ในวัสดุขั้วบวกออกไซด์แบบชั้นทั่วไป การเปลี่ยนแปลงปริมาตรน้อยที่สุดนี้ช่วยรักษาเสถียรภาพของโครงสร้าง จึงช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
ความหนาแน่นของพลังงานสูง: แบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมดที่ใช้วัสดุใหม่นี้มีความหนาแน่นของพลังงาน 390 Wh/kg ซึ่งเพิ่มขึ้น 1.3 เท่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมดที่รายงานก่อนหน้านี้
อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น: แบตเตอรี่ลิเธียมแบบโซลิดสเตตทั้งหมดที่ใช้วัสดุนี้ทำได้มากกว่า 10,000 รอบ หลังจากผ่านรอบการชาร์จ 5,000 รอบ แบตเตอรี่ยังคงรักษาความจุเริ่มต้นไว้ได้ 80% ซึ่งให้พลังงานเพียงพอเป็นระยะเวลานาน
การวิจัยนี้ให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงและอายุการใช้งานยาวนาน โดยนำเสนอแหล่งพลังงานที่ปลอดภัยและทนทานสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ กริดจัดเก็บพลังงาน และอุปกรณ์ใต้น้ำลึก/อวกาศลึก ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนา ระบบจัดเก็บพลังงานแบบใหม่