เยื่อแยกเซลลูโลสชนิดใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ลิเทียมเมทัล เพิ่มความจุสูงสุด 42%

เยื่อแยกเซลลูโลสชนิดใหม่ที่ผสานสาร Birchite เข้ามาช่วยให้แบตเตอรี่ลิเทียมเมทัลรองรับการชาร์จ-ดิสชาร์จอย่างรวดเร็ว พร้อมทั้งยกระดับประสิทธิภาพของแคโทด NCM90 ที่มีนิกเกิลสูง โดยทีมวิจัยจากเกาหลีใต้พบว่าเยื่อแยกดังกล่าวช่วยเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ภายใต้อัตราการดิสชาร์จสูง อีกทั้งยังป้องกันการเกิดเดนไดรต์ (dendrite) บนแอโนดลิเทียมเมทัลได้อย่างมีประสิทธิภาพ เยื่อแยกนี้มีชื่อว่า CBT ใช้โครงสร้างเซลลูโลสพรุนผสานกับ Birchite ซึ่งเป็นแร่ในกลุ่มซีโอไลต์ โดยทั้งสองทำงานร่วมกันเพื่อสร้างช่องทางที่ช่วยให้ไอออนลิเทียมเคลื่อนที่ภายในแบตเตอรี่ได้สม่ำเสมอยิ่งขึ้น ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อแบตเตอรี่ลิเทียมเมทัล เนื่องจากแบตเตอรี่ประเภทนี้ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนทั่วไป แต่ยังคงมีข้อจำกัดในการทำงานภายใต้อัตราการดิสชาร์จสูง

การเคลือบลิเทียมที่ไม่สม่ำเสมออาจก่อให้เกิดเดนไดรต์ ขณะที่การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์จะลดทอนประสิทธิภาพและเพิ่มความเสี่ยงต่อการลัดวงจร

การยกระดับประสิทธิภาพของเยื่อแยก CBT

กลุ่มวิจัยซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ยู ซัน-ยู (Yoo Sun-You) แห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติฮันซิน (Hampyeong National University) พบว่าเยื่อแยกที่ปรับปรุงใหม่ยังช่วยแก้ปัญหาฝั่งแคโทดได้อีกด้วย กล่าวคือ อัตราการดิสชาร์จสูงอาจทำให้ความจุที่ใช้งานได้ลดลงอย่างมาก โดยเยื่อแยก CBT มีค่าการนำไอออนอยู่ที่ 3.45 × 10⁻³ S cm⁻¹ และค่าเลขถ่ายโอนลิเทียมไอออน (lithium-ion transference number) อยู่ที่ 0.742 ทีมวิจัยเชื่อมโยงคุณสมบัติเหล่านี้เข้ากับการขนส่งไอออนที่รวดเร็วและสม่ำเสมอยิ่งขึ้น ส่งผลให้การโพลาไรเซชันภายใต้สภาวะการชาร์จ-ดิสชาร์จที่หนักหน่วงลดลง ที่อัตราการดิสชาร์จ 1C แบตเตอรี่ที่ใช้เยื่อแยก CBT และแบตเตอรี่ที่ใช้เยื่อแยกโพลีเอทิลีนแบบดั้งเดิมให้ความจุอยู่ที่ประมาณ 197 mAh g⁻¹ เท่ากัน

อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้อัตราการดิสชาร์จที่สูงขึ้น ช่องว่างระหว่างทั้งสองจะขยายมากขึ้น ที่อัตราการดิสชาร์จ 2C เยื่อแยก CBT ให้ความจุ 187 mAh g⁻¹ ขณะที่เยื่อแยกแบบเดิมให้เพียง 165 mAh g⁻¹ และที่อัตราการดิสชาร์จ 4C แคโทด NCM90 ที่ใช้เยื่อแยก CBT ให้ความจุถึง 163 mAh g⁻¹ ขณะที่เยื่อแยกแบบเดิมให้เพียง 115 mAh g⁻¹ คิดเป็นการปรับปรุงประมาณ 42% แสดงให้เห็นว่าเยื่อแยกไม่ได้ส่งผลเพียงต่อเสถียรภาพของแอโนดเท่านั้น แต่ยังช่วยยกระดับประสิทธิภาพของแคโทดด้วย

ศักยภาพของเยื่อแยกที่ปรับปรุงใหม่

ศาสตราจารย์ยูกล่าวว่า "ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่า การยกระดับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวัสดุแคโทดและแอโนดใหม่เท่านั้น แต่ยังสามารถทำได้ผ่านการออกแบบเยื่อแยกด้วย สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษคือ ผลของเยื่อแยกที่ปรับปรุงใหม่ส่งผลต่อแอโนดลิเทียมเมทัลด้วย พร้อมทั้งช่วยยกระดับประสิทธิภาพการดิสชาร์จสูงของแคโทด NCM90 ได้อย่างชัดเจน" เยื่อแยกนี้ยังช่วยควบคุมการเคลือบลิเทียม การสังเกตแบบเรียลไทม์พบว่าแบตเตอรี่ที่ใช้เยื่อแยก CBT ไม่ปรากฏการเติบโตของเดนไดรต์ที่มองเห็นได้ ในทางตรงกันข้าม ลิเทียมกลับก่อตัวเป็นชั้นเคลือบที่เรียบและแน่นยิ่งขึ้น และถูกกำจัดออกได้อย่างสม่ำเสมอกว่าในระหว่างกระบวนการสตริปปิ้ง (stripping) แบตเตอรี่เหล่านี้ยังคงความจุไว้ประมาณ 60% หลังผ่านการชาร์จ-ดิสชาร์จ 2500 รอบที่อัตรา 2C/4C

ส่วนที่อุณหภูมิ -25 °C (-13°F) หลังผ่านการชาร์จ-ดิสชาร์จ 150 รอบ เยื่อแยกยังคงรักษาความจุไว้ประมาณ 68.9% และยังคงเสถียรที่อุณหภูมิ 200 °C (392°F)

แนวทางนี้หลีกเลี่ยงการออกแบบขั้วไฟฟ้าใหม่ และมีศักยภาพที่จะปรับใช้กับสายการผลิตแบตเตอรี่ที่มีอยู่เดิมได้ อย่างไรก็ตาม ยังจำเป็นต้องทดสอบในเซลล์แบบถุง (pouch) และทรงกระบอก (cylindrical) เชิงพาณิชย์ ศาสตราจารย์ยูเน้นย้ำว่า "เยื่อแยกเชิงฟังก์ชันไม่ควรถูกมองเป็นเพียงฉนวนกั้นระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้ว หรือใช้เพื่อปกป้องแอโนดลิเทียมเมทัลเท่านั้น แต่ด้วยการควบคุมการขนส่งไอออนภายในแบตเตอรี่ เยื่อแยกเหล่านี้อาจกลายเป็นองค์ประกอบการออกแบบที่สำคัญ เพื่อให้แบตเตอรี่รุ่นถัดไปมีทั้งความหนาแน่นพลังงานสูงและประสิทธิภาพการดิสชาร์จสูงได้พร้อมกัน" งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Functional Materials