มหาวิทยาลัย Dongguk พัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตตบางเฉียบ เพิ่มความเสถียรและความหนาแน่นของพลังงาน

แบตเตอรี่ที่มีความหนาเพียง 2.77 ไมครอน อาจเป็นทางออกพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ เซ็นเซอร์ขนาดเล็ก และอุปกรณ์ทางการแพทย์ เทคโนโลยีนี้พัฒนาโดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัย Dongguk ของเกาหลีใต้ โดยแพลตฟอร์มฟิล์มบางนี้ใช้ชั้นดีบุกและคาร์บอนในการควบคุมการตกตะกอนของลิเธียม และลดการสูญเสียลิเธียมในระหว่างกระบวนการชาร์จและปล่อยพลังงาน การวิจัยนี้นำโดยศาสตราจารย์คิมฮยอนซุก จากภาควิชาวิศวกรรมพลังงานและวัสดุ โดยนักวิจัยได้รวมชั้นเคลือบกับการสำรองลิเธียมเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มความเสถียรของแบตเตอรี่ มหาวิทยาลัยได้ประกาศผลการวิจัยที่เกี่ยวข้องเมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน

ข้อดีของการออกแบบที่ไม่มีขั้วบวก

การแก้ปัญหาการตกตะกอนของลิเธียมที่ไม่สม่ำเสมอ แบตเตอรี่โซลิดสเตตใช้วัสดุแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์เหลว ซึ่งให้ความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานที่มีศักยภาพ อย่างไรก็ตาม การชุบลิเธียมที่ไม่สม่ำเสมอและการลอกอาจทำให้การทำงานไม่เสถียร การออกแบบที่ไม่มีขั้วบวกช่วยแก้ไขความท้าทายในการผลิตบางส่วน โดยอนุญาตให้ลิเธียมตกตะกอนจากขั้วลบไปยังตัวเก็บประจุไฟฟ้า สร้างขั้วบวก ทำให้กระบวนการผลิตง่ายขึ้นและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานโดยเฉพาะในแบตเตอรี่ฟิล์มบาง แต่ในระหว่างกระบวนการลอก ลิเธียมอาจกลายเป็นฉนวนไฟฟ้า ทำให้เกิด "ลิเธียมตาย" หรือสูญเสียการติดต่อกับอิเล็กโทรไลต์แข็ง กระบวนการเหล่านี้ลดปริมาณลิเธียมที่สามารถใช้ได้ในรอบถัดไปและส่งผลกระทบต่อความจุของแบตเตอรี่

ทีมงานจากมหาวิทยาลัย Dongguk ได้ศึกษาว่าการเคลือบบนตัวเก็บประจุไฟฟ้าสามารถช่วยควบคุมกระบวนการนี้ได้หรือไม่

ศาสตราจารย์คิมกล่าวว่า "ชั้นกลางของเราเป็นเหมือนเมล็ดพันธุ์สำหรับการตกตะกอนของลิเธียม ส่งเสริมการชุบลิเธียมอย่างสม่ำเสมอ ลดการสูญเสียลิเธียม และปรับปรุงความสามารถในการกลับคืนในระหว่างการชาร์จและปล่อยพลังงานซ้ำ" นักวิจัยได้คัดเลือกชั้นเคลือบที่มีเฉพาะคาร์บอน เฉพาะโลหะ และการรวมกันของโลหะ/คาร์บอน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า การใช้ชั้นเคลือบดีบุก/คาร์บอนสองชั้นบนตัวเก็บประจุไฟฟ้าทองแดงแสดงผลลัพธ์ที่ดีที่สุดในหลายการทดสอบ แสดงให้เห็นถึงการตกตะกอนของลิเธียมและความเสถียรของพื้นผิวที่ดี วัสดุทั้งสองชั้นมีบทบาทที่แตกต่างกัน โดยดีบุกช่วยลดอุปสรรคพลังงานในการตกตะกอนของลิเธียม ช่วยให้ลิเธียมเริ่มตกตะกอนที่พื้นผิว ขณะที่ชั้นคาร์บอนควบคุมการเติบโตในภายหลัง โดยมีศักยภาพในการจำกัดการตกตะกอนที่ไม่สม่ำเสมอและทำให้พื้นที่ที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างดีบุกและลิเธียมมีเสถียรภาพ

ทีมวิจัยยังได้ทำการตกตะกอนชั้นลิเธียมโลหะบาง ๆ บนตัวเก็บประจุไฟฟ้า ขั้นตอนการเตรียมลิเธียมนี้สร้างการสำรองเพื่อชดเชยการสูญเสียลิเธียมในรอบเริ่มต้น ในระหว่างกระบวนการชุบลิเธียมครั้งแรก จะเกิดพื้นที่ที่มีลักษณะเป็นสามมิติซึ่งประกอบด้วยดีบุกและลิเธียม-ดีบุก นักวิจัยชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างนี้สามารถปรับตัวตามการเปลี่ยนแปลงในปริมาณและรูปทรงในรอบถัดไป ช่วยรักษาการติดต่อและความเสถียร

แนวโน้มการใช้งานของแบตเตอรี่บางเฉียบ

แพลตฟอร์มบางเฉียบแสดงศักยภาพในการเก็บพลังงาน แบตเตอรี่ที่เสร็จสมบูรณ์รวมถึงขั้วลบออกไซด์ลิเธียมวานาเดียม อิเล็กโทรไลต์แข็งฟอสฟอรัสไนโตรเจนลิเธียม และตัวเก็บประจุไฟฟ้าทองแดงเคลือบ ในรอบที่ 100 ความหนาแน่นของพลังงานอยู่ที่ 235.13 Wh/L โดยมีอัตราที่วัดได้ที่ 0.01 C ความหนารวมอยู่ที่ 2.77 ไมครอน ศาสตราจารย์คิมกล่าวว่า "วิธีการของเราแสดงให้เห็นว่า การวิศวกรรมพื้นผิวและการจัดการการเก็บลิเธียมสามารถปรับปรุงแบตเตอรี่ฟิล์มบางที่ไม่มีขั้วบวกได้" เขาเสริมว่า "วิธีการนี้สามารถสนับสนุนการพัฒนาแบตเตอรี่บางเฉียบสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวมใส่ เซ็นเซอร์ IoT และอุปกรณ์ทางการแพทย์ รวมถึงการใช้งานแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ไม่มีขั้วบวก (ASSB) ในระดับอุตสาหกรรม"

การวิจัยนี้ได้กำหนดวิธีการจัดการการตกตะกอนของลิเธียมและการจัดหาลิเธียมในโครงสร้างแบตเตอรี่บางเฉียบ ผลการวิจัยได้เผยแพร่ในวารสาร Advanced Energy Materials