พื้นหลัง

ในปี 1800 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี A. Volta ได้สร้างกองโวลตาอิกซึ่งเปิดจุดเริ่มต้นของแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้จริงและอธิบายเป็นครั้งแรกเกี่ยวกับความสำคัญของอิเล็กโทรไลต์ในอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าเคมี อิเล็กโทรไลต์สามารถมองเห็นได้ว่าเป็นชั้นฉนวนไฟฟ้าและการนำไอออนในรูปแบบของของเหลวหรือของแข็ง โดยแทรกอยู่ระหว่างอิเล็กโทรดขั้วลบและขั้วบวก ในปัจจุบัน อิเล็กโทรไลต์ที่ล้ำสมัยที่สุดผลิตขึ้นโดยการละลายเกลือลิเธียมที่เป็นของแข็ง (เช่น LiPF6) ในตัวทำละลายอินทรีย์คาร์บอเนตที่ไม่มีน้ำ (เช่น EC และ DMC) ตามรูปแบบและการออกแบบของเซลล์ทั่วไป โดยทั่วไปอิเล็กโทรไลต์จะคิดเป็น 8% ถึง 15% ของน้ำหนักเซลล์ อะไร-ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถในการติดไฟและช่วงอุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมที่สุดคือ -10°ซี ถึง 60°C ขัดขวางการปรับปรุงความหนาแน่นและความปลอดภัยของพลังงานแบตเตอรี่อย่างมาก ดังนั้น สูตรอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่จึงถือเป็นปัจจัยสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่ใหม่เจเนอเรชั่นถัดไป

นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อพัฒนาระบบอิเล็กโทรไลต์ต่างๆ ตัวอย่างเช่น การใช้ตัวทำละลายฟลูออริเนตที่สามารถทำให้เกิดการหมุนเวียนโลหะลิเธียมที่มีประสิทธิภาพ อิเล็กโทรไลต์ของแข็งอินทรีย์หรืออนินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ต่ออุตสาหกรรมยานยนต์และ "แบตเตอรี่โซลิดสเตต" (SSB) สาเหตุหลักก็คือ หากอิเล็กโทรไลต์แข็งมาแทนที่อิเล็กโทรไลต์และไดอะแฟรมของเหลวแบบเดิม ความปลอดภัย ความหนาแน่นของพลังงานเดี่ยว และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะดีขึ้นอย่างมาก ต่อไป เราจะสรุปความคืบหน้าการวิจัยเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งด้วยวัสดุประเภทต่างๆ เป็นหลัก

อิเล็กโทรไลต์แข็งอนินทรีย์

อิเล็กโทรไลต์แข็งอนินทรีย์ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเคมีเชิงพาณิชย์ เช่น แบตเตอรี่ Na-S, แบตเตอรี่ Na-NiCl2 และแบตเตอรี่ Li-I2 หลักแบบชาร์จไฟได้อุณหภูมิสูงบางรุ่น ย้อนกลับไปในปี 2019 Hitachi Zosen (ญี่ปุ่น) สาธิตแบตเตอรี่แบบซองโซลิดสเตตทั้งหมดขนาด 140 mAh เพื่อใช้ในอวกาศและทดสอบบนสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) แบตเตอรี่นี้ประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์และส่วนประกอบอื่นๆ ของแบตเตอรี่ที่ไม่เปิดเผย ซึ่งสามารถทำงานได้ระหว่าง -40°ซี และ 100°C. ในปี 2021 บริษัทจะเปิดตัวแบตเตอรี่โซลิดความจุสูงกว่า 1,000 mAh Hitachi Zosen มองเห็นความจำเป็นในการใช้แบตเตอรี่แบบแข็งสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง เช่น พื้นที่และอุปกรณ์อุตสาหกรรมที่ทำงานในสภาพแวดล้อมทั่วไป บริษัทวางแผนที่จะเพิ่มความจุของแบตเตอรี่เป็นสองเท่าภายในปี 2568 แต่จนถึงขณะนี้ ยังไม่มีผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดที่มีวางจำหน่ายทั่วไปที่สามารถใช้ในยานพาหนะไฟฟ้าได้

อิเล็กโทรไลต์กึ่งแข็งและของแข็งอินทรีย์

ในหมวดหมู่อิเล็กโทรไลต์ของแข็งอินทรีย์ บริษัท Bolloré ของฝรั่งเศสประสบความสำเร็จในการจำหน่ายอิเล็กโทรไลต์ PVDF-HFP ชนิดเจลและอิเล็กโทรไลต์ PEO ชนิดเจล บริษัทยังได้เปิดตัวโครงการนำร่องการใช้รถร่วมกันในอเมริกาเหนือ ยุโรป และเอเชีย เพื่อใช้เทคโนโลยีแบตเตอรี่นี้กับยานพาหนะไฟฟ้า แต่แบตเตอรี่โพลีเมอร์นี้ไม่เคยถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์นั่งส่วนบุคคล ปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลให้นำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ไม่ดีก็คือ สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูงเท่านั้น (50°ซี ถึง 80°C) และช่วงแรงดันไฟฟ้าต่ำ ปัจจุบันแบตเตอรี่เหล่านี้ถูกใช้ในรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ เช่น รถโดยสารในเมืองบางคัน ไม่มีกรณีใดที่ต้องใช้งานแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ชนิดแข็งบริสุทธิ์ที่อุณหภูมิห้อง (เช่น ประมาณ 25°ค)

หมวดหมู่กึ่งของแข็งประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่มีความหนืดสูง เช่น ของผสมเกลือ-ตัวทำละลาย สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีความเข้มข้นของเกลือสูงกว่ามาตรฐาน 1 โมล/ลิตร โดยมีความเข้มข้นหรือจุดอิ่มตัวสูงถึง 4 โมล/ลิตร ข้อกังวลเรื่องส่วนผสมอิเล็กโทรไลต์เข้มข้นคือปริมาณเกลือฟลูออริเนตที่ค่อนข้างสูง ซึ่งทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับปริมาณลิเธียมและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของอิเล็กโทรไลต์ดังกล่าว เนื่องจากการขายผลิตภัณฑ์ที่สุกแล้วในเชิงพาณิชย์จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์วงจรชีวิตที่ครอบคลุม และวัตถุดิบสำหรับอิเล็กโทรไลต์กึ่งแข็งที่เตรียมไว้นั้น จะต้องเรียบง่ายและหาได้ง่ายเพื่อนำไปรวมเข้ากับยานพาหนะไฟฟ้าได้ง่ายขึ้น

อิเล็กโทรไลต์ไฮบริด

อิเล็กโทรไลต์แบบไฮบริดหรือที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์แบบผสม สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยอิงจากอิเล็กโทรไลต์แบบไฮบริดที่มีน้ำ/ตัวทำละลายอินทรีย์ หรือโดยการเติมสารละลายอิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่ไม่ใช่น้ำลงในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง โดยคำนึงถึงความสามารถในการผลิตและความสามารถในการปรับขนาดของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งและข้อกำหนดสำหรับเทคโนโลยีการเรียงซ้อน อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรไลต์ลูกผสมดังกล่าวยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย และไม่มีตัวอย่างเชิงพาณิชย์

ข้อควรพิจารณาในการพัฒนาเชิงพาณิชย์ของอิเล็กโทรไลต์

ข้อได้เปรียบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งคือความปลอดภัยสูงและอายุการใช้งานยาวนาน แต่ควรพิจารณาประเด็นต่อไปนี้อย่างรอบคอบเมื่อประเมินของเหลวทางเลือกหรืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง:

• กระบวนการผลิตและการออกแบบระบบอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง โดยทั่วไปแบตเตอรี่เกจในห้องปฏิบัติการจะประกอบด้วยอนุภาคอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งซึ่งมีความหนาหลายร้อยไมครอน เคลือบอยู่ที่ด้านหนึ่งของอิเล็กโทรด โซลิดเซลล์ขนาดเล็กเหล่านี้ไม่ได้เป็นตัวแทนของประสิทธิภาพที่จำเป็นสำหรับเซลล์ขนาดใหญ่ (10 ถึง 100Ah) เนื่องจากความจุ 10~100Ah เป็นข้อกำหนดขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ที่ให้พลังงานในปัจจุบัน
• อิเล็กโทรไลต์แข็งยังเข้ามาแทนที่บทบาทของไดอะแฟรมอีกด้วย เนื่องจากน้ำหนักและความหนาของมันมากกว่าไดอะแฟรม PP/PE จึงต้องปรับเพื่อให้ได้ความหนาแน่นของน้ำหนัก350Wh/กกและความหนาแน่นของพลังงาน900Wh/L เพื่อหลีกเลี่ยงอุปสรรคในเชิงพาณิชย์

แบตเตอรี่มีความเสี่ยงต่อความปลอดภัยในระดับหนึ่งเสมอ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง แม้ว่าจะปลอดภัยกว่าของเหลว แต่ก็ไม่จำเป็นต้องไม่ติดไฟเสมอไป โพลีเมอร์และอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์บางชนิดสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือน้ำ ทำให้เกิดความร้อนและก๊าซพิษซึ่งก่อให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้และการระเบิดด้วย นอกจากเซลล์เดี่ยวแล้ว พลาสติก กล่อง และวัสดุบรรจุภัณฑ์ยังอาจทำให้เกิดการเผาไหม้ที่ไม่สามารถควบคุมได้ ดังนั้นท้ายที่สุดแล้ว จำเป็นต้องมีการทดสอบความปลอดภัยระดับระบบแบบองค์รวม