新型電解質添加劑提升鋰離子電池壽命至 95.6%容量保持率

การเติมสารเพิ่มเติมใหม่ช่วยให้แอโนดกราฟิตสามารถรักษาความจุไว้ได้ถึง 95.6% หลังจากผ่านการวนการชาร์จ 1,000 รอบ นี่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนโดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงกราฟิตเอง วิทยากรของมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงแห่งญี่ปุ่น (JAIST) ได้ออกแบบสารประกอบที่เรียกว่า ไพน์ทาฟลูโอโรเฟนิลไทโอเฟนอิมีน (pentafluorophenyl thiophene imine หรือ FPTI) เพื่อปรับปรุงผิวป้องกันที่เกิดขึ้นในช่วงการวนการชาร์จตั้งแต่แรกในกราฟิต

ผิวนี้เรียกว่าผิวแบบตัวนำไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ซึ่งมีความสำคัญต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ มันทำให้ไอออนลิเทียมสามารถเคลื่อนที่ได้ระหว่างอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด ขณะที่จำกัดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่พึงประสงค์ เมื่อ SEI กลายเป็นไม่เสถียร อาจสิ้นเปลืองลิเทียมที่ใช้งานได้และเพิ่มการต้านทาน ทำให้เกิดการสูญเสียความจุอย่างรวดเร็ว วิทยากรได้เติม FPTI เข้าไปในอิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิมของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ด้วยความเข้มข้น 2 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตรและ 4 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร พวกเขาพบว่าสารเติมนี้จะมีปฏิกิริยาก่อนในรอบการวนแรกและช่วยให้สามารถสร้าง SEI ที่มีสภาพนำไฟฟ้าที่ดีและเสถียรมากขึ้นในผิวกราฟิต

ในความเข้มข้นที่สูงขึ้น การต้านทานของ SEI ลดลงจาก 7.6 โอห์มในกลุ่มควบคุมเหลือ 2.2 โอห์ม การต้านทานการถ่ายโอนประจุก็ลดลงจาก 41.8 โอห์มเหลือ 19.8 โอห์ม ในขณะที่การแพร่ของไอออนลิเทียมเพิ่มขึ้น วิทยากรพบว่าส่วนต่างๆของโมเลกุล FPTI มีส่วนในการสร้างผิวป้องกัน สารประกอบที่มาจากกำมะถันและอิมีนถูกรวมเข้าไปในผิว ในขณะที่ส่วนที่มีฟลูออรีนช่วยให้สามารถสร้างผิวที่อุดมไปด้วยฟลูออรีดลิเทียม ศาสตราจารย์มาจิ ได้อธิบายว่า: "การทำงานร่วมกันของส่วนต่างๆเหล่านี้ดูเหมือนจะลดการเกิดปฏิกิริยาพาราซิติกและสนับสนุนการเคลื่อนที่ที่ราบรื่นของไอออนลิเทียมที่ผิวรอยต่อระหว่างอิเล็กโทรด-อิเล็กโทรไลต์"

ผลกระทบของ FPTI ต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

ในกระบวนการวนรอบยาวนาน ผลของการปรับปรุงเห็นได้อย่างชัดเจน แบตเตอรี่กราฟิตที่มี FPTI 2 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร สามารถรักษาความจุสูงสุดไว้ 89.4% หลังจาก 1,000 รอบวน ในขณะที่ที่มี 4 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร สามารถรักษาไว้ 95.6% ในขณะที่กลุ่มควบคุมที่ไม่มีสารเติมเติม รักษาไว้เพียง 62.7% และเริ่มแสดงการสูญเสียความจุอย่างมีนัยสำคัญหลังจากประมาณ 350 รอบวน

ทีมวิจัยต่อมาได้ทดสอบว่า วิธีการนี้สามารถนำไปใช้กับเซลล์แบตเตอรี่ที่สมบูรณ์ที่ใช้แคโทด NMC811 และแอโนดกราฟิต นี่เปิดเผยข้อจำกัดที่สำคัญ: การใส่ FPTI โดยตรงลงในอิเล็กโทรไลต์ของเซลล์ที่สมบูรณ์ เพิ่มการต้านทานของแคโทด ทำให้ทำลายประสิทธิภาพ ดังนั้น วิทยากรได้ใช้ FPTI เฉพาะกับการทำการประมวลก่อนแอโนดกราฟิต พวกเขาได้สร้าง SEI ที่ปรับปรุงแล้วในระหว่างการวนการประมวลก่อน แล้วนำมาประกอบเซลล์ที่สมบูรณ์โดยใช้อิเล็กโทรไลต์มาตรฐาน การประมวลทางเคมีเฉพาะเจาะจงนี้ได้เพิ่มความหนาแน่นพลังงานของเซลล์ที่สมบูรณ์ได้อย่างมีนัยสำคัญ การประมวลก่อนด้วย FPTI 4 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร เซลล์ที่สมบูรณ์ที่ใช้กราฟิตที่ประมวลก่อนได้ถึง 233 Wh/kg ในขณะที่ที่ 2 มิลลิกรัมต่อมิลลิลิตร เป็น 192 Wh/kg ในขณะที่กลุ่มควบคุมเพียง 130 Wh/kg

ความเป็นจริงของการประมวลเฉพาะเจาะจง

ผลลัพธ์นี้เน้นว่า เพราะอะไรแบตเตอรี่สารเติมเติมไม่สามารถประเมินเฉพาะตามผลกระทบของมันต่ออิเล็กโทรดเดียว สารที่ปรับปรุงผิวรอยต่อกราฟิต-อิเล็กโทรไลต์อาจทำให้เกิดปัญหากับแคโทด ดังนั้น การประมวลเฉพาะเจาะจงอาจมีความเป็นจริงมากกว่าการเติมสารนั้นลงในเซลล์ทั้งหมด

ศาสตราจารย์มาจิ สรุปว่า: "โดยรวมแล้ว FPTI ได้เพิ่มประสิทธิภาพทางอิเลกโทรเคมีของเซลล์กราฟิตแบบครึ่งเซลล์" วิทยากรกล่าวว่า จำเป็นต้องทดสอบกับเซลล์ที่มีขนาดการค้าใหญ่ขึ้นและเงื่อนไขการทำงานที่กว้างขวางขึ้นเพื่อให้แน่ใจว่าวิธีการนี้สามารถแปลงเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้งานจริงได้ อย่างไรก็ตาม การวิจัยนี้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการควบคุมผิวกราฟิตในระดับโมเลกุลที่สามารถยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่โดยไม่ต้องเปลี่ยนแปลงวัสดุแอโนดที่ใช้กันทั่วไป การวิจัยนี้ได้ตีพิมพ์ในวารสาร "Energy & Fuels"