วัสดุแอโนดกราไฟต์ชาร์จเร็ว

2025-03-26

ในฐานะที่เป็นวัสดุขั้วลบเชิงพาณิชย์ตัวแรกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กราไฟต์มีข้อดีคือความจุสูง, โครงสร้างที่เสถียร และการนำไฟฟ้าที่ดี. ที่สำคัญกว่านั้นคือมีแหล่งที่มาหลากหลายและต้นทุนต่ำ. มันยังคงเป็นวัสดุแอโนดที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน และยากที่จะถูกแทนที่อย่างสมบูรณ์ในระยะสั้น. เนื่องจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในรถยนต์ไฟฟ้า ความสามารถในการชาร์จเร็วจึงกลายเป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดของกราไฟต์. ภายใต้ความเร็วในการแทรกซึมของลิเธียมที่ช้าและศักย์รีดอกซ์ที่ต่ำมาก ความจุ, เสถียรภาพ และความปลอดภัยของกราไฟต์ภายใต้การชาร์จและการปล่อยที่อัตราสูงไม่สามารถตอบสนองความต้องการของแบตเตอรี่พลังงานได้. ดังนั้นการปรับปรุงกราไฟต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์จเร็วจึงเป็นจุดสนใจของการวิจัยของนักวิจัยในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา.

สำหรับปัญหาของกราไฟต์ในการชาร์จเร็ว ปัจจุบันมีวิธีแก้ปัญหาดังนี้.

(1) การสร้างฟิล์ม SEI เทียมที่เสถียร. โดยการสร้างฟิล์ม SEI เทียมที่มีโครงสร้างเสถียร, ศักย์รีดอกซ์สูง และการนำไอออนที่ดีบนพื้นผิวกราไฟต์ จะช่วยลดความไม่เป็นเชิงมิติของการขนส่งไอออนลิเธียมในกราไฟต์ และปรับปรุงอัตราการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียม. การมีขั้วไฟฟ้าขนาดเล็กเพื่อหลีกเลี่ยงการตกตะกอนของโลหะลิเธียมบนพื้นผิวกราไฟต์ในระหว่างการชาร์จและการปล่อยที่อัตราสูง. นอกจากนี้ ฟิล์ม SEI เทียมยังสามารถทำหน้าที่เป็น "ตะแกรงแยก" สำหรับไอออนลิเธียมและโมเลกุลของตัวทำละลาย เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของโครงสร้างกราไฟต์ที่เกิดจากการแทรกซึมร่วมของโมเลกุลของตัวทำละลาย.

(2) การออกแบบรูปร่างและโครงสร้าง. โดยการปรับเปลี่ยนรูปร่างและโครงสร้างของกราไฟต์ (เช่น การออกแบบโครงสร้างรู) จะสามารถเพิ่มจำนวนจุดที่ใช้งานสำหรับการแทรกซึมขอบของกราไฟต์ และปรับปรุงการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียมในกราไฟต์.

(3) การปรับแต่งอิเล็กโทรไลต์. โดยการปรับแต่งการใช้ตัวทำละลาย, การควบคุมประเภทและความเข้มข้นของเกลือลิเธียม, และการเพิ่มสารเติมแต่งอินทรีย์/อนินทรีย์ จะสามารถปรับโครงสร้างการละลายของไอออนลิเธียมในอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ, ลดอุปสรรคการละลายของไอออนลิเธียม, และสร้างฟิล์ม SEI ที่เสถียร. รวมถึงการบรรเทาผลกระทบของการแทรกซึมร่วมของโมเลกุลของตัวทำละลายต่อเสถียรภาพของกราไฟต์.

(4) ปรับปรุงกลยุทธ์การชาร์จ โดยการปรับปรุงโปรโตคอลการชาร์จ การควบคุมกระแสการชาร์จ แรงดันไฟฟ้า และเวลาผ่อนคลาย สามารถทำให้ถึงขีดจำกัดอัตราการชาร์จโดยไม่เกิดการก่อตัวของลิเธียมเดนไดรต์ และสามารถสร้างสมดุลระหว่างอายุการใช้งานของเซลล์และอัตราการชาร์จได้ วิธีเหล่านี้สามารถปรับปรุงความจุและเสถียรภาพของกราไฟต์ภายใต้สภาวะการชาร์จเร็วได้อย่างมีประสิทธิภาพ และให้ข้อมูลอ้างอิงสำหรับการทำให้การชาร์จ “เติมน้ำมัน” ของรถยนต์ไฟฟ้าเป็นจริง

อย่างไรก็ตาม การออกแบบการชาร์จเร็วของกราไฟต์ยังมีความท้าทายดังต่อไปนี้:

ความเสถียรทางเคมีของกราไฟต์มีความแข็งแกร่งมาก และความสามารถในการเปียกของพื้นผิวมีน้อยมาก ดังนั้นจึงยากที่จะสร้างฟิล์มป้องกัน SEI เทียมโดยใช้วิธีทางกายภาพและเคมีที่ง่ายๆ ส่วนใหญ่การวิจัยในปัจจุบันจำเป็นต้องใช้การเคลือบชั้นอะตอม ALD การเคลือบไอ CVD และวิธีการอื่นๆ วิธีเหล่านี้ในการสร้างฟิล์มป้องกัน SEI เทียมมีต้นทุนสูง กระบวนการซับซ้อน ประสิทธิภาพต่ำ และไม่มีความเป็นไปได้ในการอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ดังนั้นวิธีการเริ่มต้นจากกราไฟต์เองและเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่เป็นเนื้อแท้ของมัน เพื่อให้สามารถสร้างฟิล์มป้องกัน SEI เทียมในวิธีที่ง่ายและสะดวก เป็นจุดสนใจของการวิจัยในอนาคต

(2) โดยการออกแบบรูพรุนและลดรูปทรงและโครงสร้างของอนุภาคกราไฟต์ แม้ว่าสถานที่ในการแทรกลิเธียมของกราไฟต์สามารถเพิ่มขึ้นได้ แต่การเพิ่มขึ้นของสถานที่ที่ใช้งานมักจะมาพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของปฏิกิริยาข้างเคียงและการลดลงของประสิทธิภาพโคลอมบ์ครั้งแรก เนื่องจากราคาของเกลือลิเธียมได้สูงถึงระดับสูงสุดตลอดกาล การออกแบบการชาร์จเร็วของกราไฟต์จึงไม่สามารถทำได้โดยไม่เพิ่มความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในครั้งแรก ดังนั้นกลยุทธ์การควบคุมรูปทรงและโครงสร้างจึงต้องใช้ร่วมกับกลยุทธ์การปรับเปลี่ยนพื้นผิวอื่น ๆ เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้ลิเธียมเพิ่มเติม

(3) การใช้สารเติมแต่งเชิงฟังก์ชันหรือการพัฒนาสารลิเทียมเกลือและตัวทำละลายใหม่เป็นสิ่งสำคัญในการสร้างอิเล็กโทรไลต์ใหม่ที่มีความนำไฟฟ้าสูง จำนวนการถ่ายโอนสูง และช่วงอุณหภูมิที่กว้าง เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์กำหนดการขนส่งไอออนและพื้นผิวสำหรับเคมีแบตเตอรี่เฉพาะ อย่างไรก็ตาม แนวทางการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ต้องคำนึงถึงปัจจัยด้านต้นทุนและระดับการปกป้องสิ่งแวดล้อม มิฉะนั้นจะขาดความหมายในทางปฏิบัติ.

(4) การออกแบบการชาร์จเร็วที่ใช้กราไฟต์ส่วนใหญ่ยังคงถูกประเมินจากแบตเตอรี่ปุ่มเป็นหลัก ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีที่ต้องการการใช้งานในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ นักวิจัยควรประเมินในเซลล์ถุงหรือเซลล์ทรงกระบอกเพื่อยืนยันศักยภาพในการใช้งานเชิงพาณิชย์.