ทีมเทคโนโลยีของจีนประสบความสำเร็จในการพัฒนาแบตเตอรี่สถานะของแข็ง ทำให้ใกล้เคียงกับการผลิตในปริมาณมาก

【PCauto】เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยที่นำโดย Huang Xuejie จากสถาบันฟิสิกส์ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งประเทศจีน (Institute of Physics Chinese Academy of Sciences) ได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยในวารสาร 《Nature Sustainability》 ซึ่งเป็นผลงานที่ก้าวล้ำ โดยใช้เทคโนโลยีควบคุมประจุลบ (anion regulation technology) เป็นครั้งแรกในการแก้ไขปัญหาหลักเกี่ยวกับการสัมผัสระหว่างขั้วไฟฟ้ากับอิเล็กโทรไลต์

ทีมของ Huang Xuejie ได้เพิ่มความสามารถในการซ่อมแซมตัวเองให้กับแบตเตอรี่สถานะของแข็ง

ในช่วงเวลานาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสถานะของแข็งทั้งหมด (All-solid-state lithium batteries) ไม่สามารถพ้นจากห้องปฏิบัติการได้ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของขั้วลิเธียมโลหะ (lithium metal anode) และปัญหารูพรุนที่บริเวณขอบเขตการเชื่อมต่อ

วิธีการแก้ปัญหาแบบดั้งเดิมต้องพึ่งพาอุปกรณ์กดเชิงกลซึ่งเพิ่มน้ำหนักให้กับระบบแบตเตอรี่และเพิ่มต้นทุนการผลิต

ความก้าวหน้าของทีม Huang Xuejie อยู่ที่เทคโนโลยี “ซ่อมแซมอัจฉริยะ” ซึ่งพวกเขาได้เพิ่มไอออนของไอโอดีน (สารชนิดหนึ่งที่คล้าย "กาว") ลงในอิเล็กโทรไลต์ เมื่อแบตเตอรี่ทำงาน สนามไฟฟ้าจะกระตุ้นให้ไอออนของไอโอดีนเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวขั้วไฟฟ้า และก่อตัวเป็นชั้นที่เต็มไปด้วยไอโอดีน

ชั้นนี้สามารถดึงดูดไอออนลิเธียมที่มีประจุบวกได้ด้วยตนเอง เติมเต็มช่องว่างทั้งหมดเหมือนแม่เหล็กดูดเศษเหล็ก ทำให้ขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์เชื่อมต่อกันในระดับอะตอม

กระบวนการทั้งหมดนี้ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์กดจากภายนอก ไม่เพียงทำให้ขั้นตอนการผลิตง่ายขึ้นเท่านั้น แต่ยังช่วยยืดอายุการทำงานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้อย่างชัดเจน

กลไกการซ่อมแซมตัวเองนี้ช่วยให้แบตเตอรี่สามารถรักษาความคงที่ได้แม้หลังจากการชาร์จและการคายประจุซ้ำๆ ซึ่งให้โซลูชันพลังงานที่ไว้วางใจได้สำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้าและอื่นๆ

วัสดุใหม่ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบแข็ง

ในขณะเดียวกัน ทีมงานได้พัฒนาวัสดุขั้วแอโนดที่มีการเสริมแรงแบบโทโพโลยี (Topology Fortified Anode, TFA) โดยการปรับโครงสร้างของโครงกระดูกและอัตราส่วนของเฟสลิเธียมที่ทำปฏิกิริยาไฟฟ้า ทำให้เกิดการปรับปรุงสำคัญสองประการ:

ประการแรก เสถียรภาพเชิงกลเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อเทียบกับขั้วลบลิเธียมเมทัลบริสุทธิ์ TFA มีการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรเกือบเป็นศูนย์ หลีกเลี่ยงการแยกตัวของอินเทอร์เฟซในระหว่างกระบวนการหมุนเวียน;

ประการที่สอง อัตราการแพร่ของลิเธียมไอออนเพิ่มสูงขึ้น โครงสร้างรูพรุนของโครงกระดูกให้ช่องทางการถ่ายโอนลิเธียมไอออนที่รวดเร็ว ทำให้อัตราการแพร่สูงกว่าลิเธียมบริสุทธิ์ถึงสามเท่า

นอกจากนี้ ความทนต่อแรงกดของ TFA สูงกว่าลิเธียมบริสุทธิ์ถึงห้าเท่า ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่สามารถทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงแรงกดที่กว้างขึ้น

ทีม Huang Xuejie ได้ประกอบแบตเตอรี่ทั้งหมดและทำการทดสอบแล้ว

เมื่อจับคู่กับขั้วบวก FeS₂ ที่มีความจุสูง อัตราการใช้ลิเธียมที่ทำปฏิกิริยาไฟฟ้าของแบตเตอรี่ทั้งหมดอยู่ที่ 62% ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่สามารถปล่อยพลังงานออกมาได้มากขึ้น สนับสนุนอุปกรณ์ที่มีการใช้งานต่อเนื่องสูง

ภายใต้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงหลังจากหมุนเวียน 800 รอบ ความจุยังคงอยู่ที่ประมาณ 70% ซึ่งสูงกว่าประสิทธิภาพการหมุนเวียนของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบเหลวในปัจจุบันอย่างมาก

สิ่งที่สำคัญยิ่งกว่านั้นคือ ความปลอดภัยของแบตเตอรี่ได้รับการพิสูจน์แล้ว วัสดุ TFA ช่วยยับยั้งการเติบโตของเดนไดรต์ลิเธียม (ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมแบบแข็งลัดวงจร) แม้จะผ่านการหมุนเวียนหลายรอบ อิเล็กโทรไลต์ก็ไม่มีรอยแตกหรือความเสียหาย

เทคโนโลยีนี้ได้รับการยอมรับจากอุตสาหกรรมและตลาด

ศาสตราจารย์ Chunsheng Wang จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ ผู้เชี่ยวชาญด้านแบตเตอรี่แบบแข็ง ให้ความเห็นว่า: "งานของทีม Huang Xuejie ได้แก้ปัญหาคอขวดที่สำคัญสำหรับการค้าแบตเตอรี่แบบแข็งทั้งหมด—ปัญหาการสัมผัสที่อินเทอร์เฟซ ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญที่สำคัญสำหรับการใช้งานในเชิงปฏิบัติ"

ตลาดทุนตอบสนองในเชิงบวกเป็นอย่างมาก หลังจากข่าวถูกประกาศ ETF ผู้นำในแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นมากกว่า 2% ในวันเดียว ราคาหุ้นของบริษัทอย่าง CATL และ BYD ก็เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด มีคนกล่าวว่า ปัญหาที่เกี่ยวกับพื้นผิวสัมผัสเป็นก้าวสุดท้ายของแบตเตอรี่แข็งทั้งหมด ความก้าวหน้าของทีมจีนทำให้ทุกคนเริ่มมีความหวังในด้านการพัฒนาอุตสาหกรรมอย่างเป็นรูปธรรม