แบตเตอรี่โซลิดสเตต: เส้นทางแบตเตอรี่แห่งอนาคต

แบตเตอรี่โซลิดสเตต: เส้นทางแบตเตอรี่แห่งอนาคต

เมื่อวันที่ 14 พฤษภาคม ตามรายงานของ "The Korea Times" และรายงานของสื่ออื่น ๆ Samsung วางแผนที่จะร่วมมือกับ Hyundai เพื่อพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าและจัดหาแบตเตอรี่พลังงานและชิ้นส่วนรถยนต์ที่เชื่อมต่ออื่น ๆ สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าของฮุนได สื่อคาดการณ์ว่าเร็วๆ นี้ Samsung และ Hyundai จะลงนามในบันทึกความเข้าใจที่ไม่มีผลผูกพันเกี่ยวกับการจ่ายแบตเตอรี่ มีรายงานว่าซัมซุงเปิดตัวแบตเตอรี่โซลิดสเตตรุ่นล่าสุดให้กับฮุนได

ตามข้อมูลของ Samsung เมื่อแบตเตอรี่ต้นแบบถูกชาร์จจนเต็มแล้ว รถยนต์ไฟฟ้าสามารถขับได้ครั้งละมากกว่า 800 กิโลเมตร โดยมีอายุการใช้งานของแบตเตอรี่มากกว่า 1,000 ครั้ง ปริมาตรมีขนาดเล็กกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความจุเท่ากัน 50% ด้วยเหตุนี้ แบตเตอรี่โซลิดสเตตจึงถือเป็นแบตเตอรี่พลังงานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าในอีก XNUMX ปีข้างหน้า

ในช่วงต้นเดือนมีนาคม 2020 สถาบัน Samsung เพื่อการศึกษาขั้นสูง (SAIT) และศูนย์วิจัย Samsung แห่งประเทศญี่ปุ่น (SRJ) ได้ตีพิมพ์ "แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลโซลิดสเตตแบบใช้พลังงานสูงที่มีพลังงานสูงและใช้พลังงานสูงที่เปิดใช้งานโดยซิลเวอร์" ในนิตยสาร "Nature Energy" -คาร์บอนคอมโพสิตแอโนด" นำเสนอการพัฒนาล่าสุดในด้านแบตเตอรี่โซลิดสเตต

แบตเตอรี่นี้ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ซึ่งไม่ติดไฟที่อุณหภูมิสูง และยังสามารถยับยั้งการเจริญเติบโตของลิเธียมเดนไดรต์เพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจร นอกจากนี้ยังใช้ชั้นคอมโพสิตซิลเวอร์คาร์บอน (Ag-C) เป็นแอโนด ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้ถึง 900Wh/L มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า 1000 รอบ และประสิทธิภาพคูลอมบิกที่สูงมาก (ประจุ) และประสิทธิภาพการคายประจุ) 99.8% มันสามารถขับแบตเตอรี่หลังจากชำระเงินครั้งเดียว รถวิ่งไป 800 กิโลเมตร

อย่างไรก็ตาม SAIT และ SRJ ที่ตีพิมพ์บทความนี้เป็นสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์มากกว่า Samsung SDI ซึ่งเน้นที่เทคโนโลยี บทความนี้อธิบายเฉพาะหลักการ โครงสร้าง และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ใหม่เท่านั้น มีการตัดสินเบื้องต้นว่าแบตเตอรี่ยังอยู่ในขั้นตอนของห้องปฏิบัติการ และจะยากต่อการผลิตจำนวนมากในระยะเวลาอันสั้น

ความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเหลวแบบดั้งเดิมคือ ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์และตัวแยก ไม่จำเป็นต้องใช้แอโนดกราไฟท์แบบลิเธียม แทนการใช้โลหะลิเธียมเป็นแอโนด ซึ่งช่วยลดจำนวนของวัสดุแอโนด ใช้พลังงานแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานในร่างกายสูงกว่า (>350Wh/kg) และอายุการใช้งานยาวนานขึ้น (>5000 รอบ) รวมถึงฟังก์ชันพิเศษ (เช่น ความยืดหยุ่น) และข้อกำหนดอื่นๆ

แบตเตอรี่ระบบใหม่ประกอบด้วยแบตเตอรี่โซลิดสเตต แบตเตอรี่ลิเธียมโฟลว์ และแบตเตอรี่เมทัล-แอร์ แบตเตอรี่โซลิดสเตตสามก้อนมีข้อดี อิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ และออกไซด์และซัลไฟด์เป็นอิเล็กโทรไลต์เซรามิกอนินทรีย์

เมื่อพิจารณาถึงบริษัทแบตเตอรี่โซลิดสเตตระดับโลกแล้ว ก็มีสตาร์ทอัพและมีผู้ผลิตระดับนานาชาติด้วย บริษัทต่าง ๆ อยู่ตามลำพังในระบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีความเชื่อต่างกัน และไม่มีแนวโน้มของกระแสหรือการรวมเทคโนโลยี ในปัจจุบัน เส้นทางทางเทคนิคบางเส้นทางนั้นใกล้เคียงกับเงื่อนไขของอุตสาหกรรม และถนนสู่ระบบอัตโนมัติของแบตเตอรี่โซลิดสเตตกำลังอยู่ในระหว่างดำเนินการ

บริษัทในยุโรปและอเมริกาชอบระบบโพลีเมอร์และออกไซด์ บริษัทสัญชาติฝรั่งเศส Bolloré เป็นผู้นำในการจำหน่ายแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ใช้โพลีเมอร์ในเชิงพาณิชย์ ในเดือนธันวาคม 2011 รถยนต์ไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่โพลีเมอร์โซลิดสเตต 30kwh + ตัวเก็บประจุแบบไฟฟ้าสองชั้นเข้าสู่ตลาดรถยนต์ที่ใช้ร่วมกัน ซึ่งเป็นครั้งแรกในโลก แบตเตอรี่โซลิดสเตตเชิงพาณิชย์สำหรับ EV

Sakti3 ผู้ผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตแบบฟิล์มบางออกไซด์ถูกซื้อกิจการโดย Dyson ยักษ์ใหญ่ด้านเครื่องใช้ในบ้านของอังกฤษในปี 2015 โดยขึ้นอยู่กับต้นทุนในการเตรียมฟิล์มบางและความยากลำบากในการผลิตขนาดใหญ่ และไม่มีการผลิตจำนวนมาก ผลิตสินค้ามาอย่างยาวนาน

แผนการของแมกซ์เวลล์สำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตคือการเข้าสู่ตลาดแบตเตอรี่ขนาดเล็กก่อน แล้วจึงผลิตเป็นจำนวนมากในปี 2020 และนำไปใช้ในด้านการจัดเก็บพลังงานในปี 2022 เพื่อประโยชน์ในเชิงพาณิชย์อย่างรวดเร็ว แมกซ์เวลล์อาจลองใช้กึ่ง แบตเตอรี่ที่เป็นของแข็งในระยะสั้น ถึงกระนั้น แบตเตอรี่กึ่งแข็งก็ยังมีราคาแพงกว่าและใช้เป็นหลักในด้านความต้องการเฉพาะ ทำให้การใช้งานขนาดใหญ่ทำได้ยาก

ผลิตภัณฑ์ที่ไม่ใช่ฟิล์มออกไซด์บางมีประสิทธิภาพโดยรวมที่ยอดเยี่ยมและกำลังเป็นที่นิยมในการพัฒนา ทั้งไต้หวัน Huineng และ Jiangsu Qingdao เป็นผู้เล่นที่มีชื่อเสียงในเพลงนี้

บริษัทญี่ปุ่นและเกาหลีมุ่งมั่นที่จะแก้ปัญหาอุตสาหกรรมของระบบซัลไฟด์มากขึ้น บริษัทตัวแทน เช่น Toyota และ Samsung ได้เร่งดำเนินการติดตั้ง แบตเตอรี่โซลิดสเตตซัลไฟด์ (แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์) มีศักยภาพในการพัฒนามหาศาล เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานสูงและต้นทุนต่ำ ในหมู่พวกเขา เทคโนโลยีของโตโยต้านั้นล้ำหน้าที่สุด เปิดตัวแบตเตอรี่สาธิตระดับแอมแปร์และประสิทธิภาพไฟฟ้าเคมี ในเวลาเดียวกัน พวกเขายังใช้ LGPS ที่มีค่าการนำไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้องสูงขึ้นเป็นอิเล็กโทรไลต์เพื่อเตรียมก้อนแบตเตอรี่ที่ใหญ่ขึ้น

ญี่ปุ่นได้เปิดตัวโครงการวิจัยและพัฒนาทั่วประเทศ พันธมิตรที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือโตโยต้าและพานาโซนิค (โตโยต้ามีวิศวกรเกือบ 300 คนที่เกี่ยวข้องในการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตต) มันบอกว่าจะทำการค้าแบตเตอรี่โซลิดสเตตภายในห้าปี

แผนการจำหน่ายแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมดที่พัฒนาโดยโตโยต้าและ NEDO เริ่มต้นด้วยการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตทั้งหมด (แบตเตอรี่รุ่นแรก) โดยใช้ LIB ที่มีจังหวะเร็วและวัสดุที่เป็นอันตราย หลังจากนั้นจะใช้วัสดุที่เป็นบวกและลบใหม่เพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน (แบตเตอรี่รุ่นต่อไป) โตโยต้าคาดว่าจะผลิตต้นแบบของรถยนต์ไฟฟ้าแบบโซลิดสเตตในปี 2022 และจะใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตในบางรุ่นในปี 2025 ในปี 2030 ความหนาแน่นของพลังงานสามารถเข้าถึง 500Wh/kg เพื่อให้เกิดการผลิตจำนวนมาก

จากมุมมองของสิทธิบัตร ในบรรดาผู้ขอจดสิทธิบัตร 20 อันดับแรกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตต บริษัทญี่ปุ่นคิดเป็น 11 บริษัท โตโยต้าสมัครมากที่สุด โดยแตะ 1,709 2.2 เท่าของบริษัทพานาโซนิคที่สอง บริษัท 10 อันดับแรกคือบริษัทญี่ปุ่นและเกาหลีใต้ รวมทั้งบริษัท 8 แห่งในญี่ปุ่นและ 2 แห่งในเกาหลีใต้

จากมุมมองของรูปแบบสิทธิบัตรทั่วโลกของผู้รับสิทธิบัตร ญี่ปุ่น สหรัฐอเมริกา จีน เกาหลีใต้ และยุโรปเป็นประเทศหรือภูมิภาคที่สำคัญ นอกเหนือจากการยื่นขอในท้องถิ่นแล้ว โตโยต้ามีจำนวนคำขอรับสิทธิบัตรมากที่สุดในสหรัฐอเมริกาและจีน โดยคิดเป็น 14.7% และ 12.9% ของคำขอรับสิทธิบัตรทั้งหมดตามลำดับ

อุตสาหกรรมแบตเตอรี่โซลิดสเตตในประเทศของฉันยังอยู่ภายใต้การสำรวจอย่างต่อเนื่อง ตามแผนเส้นทางทางเทคนิคของจีน ในปี 2020 จะค่อยๆ ตระหนักถึงอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง การสังเคราะห์วัสดุแคโทดพลังงานจำเพาะสูง และเทคโนโลยีการก่อสร้างโลหะผสมลิเธียมโครงสร้างแบบสามมิติ จะรับรู้การผลิตตัวอย่างแบตเตอรี่เดี่ยวความจุขนาดเล็ก 300Wh/kg ในปี 2025 เทคโนโลยีการควบคุมอินเทอร์เฟซของแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะได้รับตัวอย่างแบตเตอรี่เดี่ยวความจุสูง 400Wh/kg และเทคโนโลยีกลุ่ม คาดว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตและแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์จะสามารถผลิตและส่งเสริมได้เป็นจำนวนมากในปี พ.ศ. 2030

แบตเตอรี่รุ่นต่อไปในโครงการระดมทุน IPO ของ CATL รวมถึงแบตเตอรี่โซลิดสเตต ตามรายงานของ NE Times CATL คาดว่าจะบรรลุการผลิตจำนวนมากของแบตเตอรี่โซลิดสเตตภายในอย่างน้อยปี 2025

โดยรวมแล้ว เทคโนโลยีระบบโพลีเมอร์มีความสมบูรณ์มากที่สุด และผลิตภัณฑ์ระดับ EV แรกถือกำเนิดขึ้น ลักษณะเชิงแนวคิดและการมองไปข้างหน้าได้กระตุ้นการเร่งการลงทุนในการวิจัยและพัฒนาโดยผู้ที่มาภายหลัง แต่ขีดจำกัดสูงสุดของประสิทธิภาพจำกัดการเติบโต และการผสมกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอนินทรีย์จะเป็นทางเลือกที่เป็นไปได้ในอนาคต ออกซิเดชัน; ในระบบวัสดุ การพัฒนาประเภทฟิล์มบางมุ่งเน้นไปที่การขยายกำลังการผลิตและการผลิตขนาดใหญ่ และประสิทธิภาพโดยรวมของประเภทที่ไม่ใช่ฟิล์มจะดีกว่า ซึ่งเป็นจุดเน้นของการวิจัยและพัฒนาในปัจจุบัน ระบบซัลไฟด์เป็นระบบแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีแนวโน้มมากที่สุดในด้านยานยนต์ไฟฟ้า แต่ในสถานการณ์โพลาไรซ์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับการเติบโตและเทคโนโลยีที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ การแก้ปัญหาด้านความปลอดภัยและปัญหาอินเทอร์เฟซเป็นจุดสนใจของอนาคต

ความท้าทายที่แบตเตอรี่โซลิดสเตตต้องเผชิญ ได้แก่:

• การลดต้นทุน
• การปรับปรุงความปลอดภัยของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง
• รักษาการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ระหว่างการชาร์จและการคายประจุ

แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ ลิเธียม-อากาศ และระบบอื่นๆ จำเป็นต้องเปลี่ยนโครงโครงสร้างแบตเตอรี่ทั้งหมด และมีปัญหามากขึ้นเรื่อยๆ อิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่โซลิดสเตตสามารถใช้ระบบปัจจุบันต่อไปได้ และความยากในการตระหนักรู้ค่อนข้างน้อย ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่แห่งอนาคต แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตมีความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า และจะกลายเป็นวิธีเดียวในยุคหลังลิเธียม