เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่อธิบายไว้ใน 24 กันยายน 2021 ปัญหาของวารสารวิทยาศาสตร์ วิศวกรระดับนาโนของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก เป็นผู้นำการวิจัย โดยร่วมมือกับนักวิจัยที่ LG Energy Solution

ซิลิคอนแอโนดมีชื่อเสียงในด้านความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งมากกว่าแกรไฟต์แอโนดที่มักใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ในปัจจุบันถึง 10 เท่า ในทางกลับกัน ซิลิคอนแอโนดนั้นขึ้นชื่อในเรื่องการขยายตัวและหดตัวเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จและคายประจุ และการสลายตัวด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลว ความท้าทายเหล่านี้ทำให้แอโนดที่เป็นซิลิกอนทั้งหมดไม่อยู่ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ แม้ว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงานที่ยั่วเย้า ผลงานชิ้นใหม่ที่ตีพิมพ์ในScienceเป็นแนวทางที่ดีสำหรับซิลิคอนแอโนดทั้งหมดด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสม

“ด้วยการกำหนดค่าแบตเตอรี่นี้ เรากำลังเปิดพื้นที่ใหม่สำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตโดยใช้แอโนดอัลลอยด์ เช่น ซิลิกอน” ดาร์เรน เอชเอส แทน ผู้เขียนนำรายงานกล่าว เขาเพิ่งสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านวิศวกรรมเคมีที่ UC San Diego Jacobs School of Engineering และได้ร่วมก่อตั้งบริษัทสตาร์ทอัพ UNIGRID Battery ที่ได้รับอนุญาตให้ใช้เทคโนโลยีนี้

แบตเตอรี่โซลิดสเตตรุ่นต่อไปที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงมักใช้ลิเธียมโลหะเป็นแอโนดเสมอ แต่นั่นทำให้เกิดข้อจำกัดเกี่ยวกับอัตราการชาร์จแบตเตอรี่และความต้องการอุณหภูมิที่สูงขึ้น (โดยปกติคือ 60 องศาเซลเซียสหรือสูงกว่า) ในระหว่างการชาร์จ ซิลิกอนแอโนดเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ ทำให้อัตราการชาร์จเร็วขึ้นมากที่อุณหภูมิห้องจนถึงอุณหภูมิต่ำ ในขณะที่ยังคงความหนาแน่นของพลังงานสูง

ทีมงานได้สาธิตเซลล์เต็มขนาดในห้องปฏิบัติการซึ่งมีรอบการชาร์จและการคายประจุ 500 รอบ โดยมีการคงความจุไว้ 80% ที่อุณหภูมิห้อง ซึ่งแสดงถึงความก้าวหน้าที่น่าตื่นเต้นสำหรับทั้งแบตเตอรี่ซิลิกอนแอโนดและแบตเตอรี่โซลิดสเตต

ซิลิคอนเป็นแอโนดแทนกราไฟต์

ซิลิคอนแอโนดไม่ใช่เรื่องใหม่ เป็นเวลาหลายทศวรรษ ที่นักวิทยาศาสตร์และผู้ผลิตแบตเตอรี่มองว่าซิลิคอนเป็นวัสดุที่มีพลังงานหนาแน่นเพื่อผสมหรือแทนที่แกรไฟต์แอโนดแบบธรรมดาในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในทางทฤษฎี ซิลิคอนมีความจุมากกว่ากราไฟท์ประมาณ 10 เท่า อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เติมซิลิคอนลงในแอโนดเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานมักประสบปัญหาด้านประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง จำนวนครั้งที่แบตเตอรี่สามารถชาร์จและคายประจุในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพการทำงานนั้นไม่สูงพอ

ปัญหาส่วนใหญ่เกิดจากการทำงานร่วมกันระหว่างซิลิกอนแอโนดและอิเล็กโทรไลต์เหลวที่จับคู่กับ สถานการณ์มีความซับซ้อนโดยการขยายตัวของอนุภาคซิลิกอนในปริมาณมากระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ส่งผลให้สูญเสียกำลังการผลิตอย่างรุนแรงเมื่อเวลาผ่านไป

“ในฐานะนักวิจัยแบตเตอรี่ จำเป็นต้องแก้ไขปัญหารากในระบบ สำหรับซิลิคอนแอโนด เราทราบดีว่าปัญหาใหญ่อย่างหนึ่งคือความไม่เสถียรของอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์เหลว” เชอร์ลีย์ เหมิง ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโนของ UC San Diego ผู้เขียนที่เกี่ยวข้องเอกสารวิทยาศาสตร์และผู้อำนวยการสถาบันเพื่อการค้นคว้าและออกแบบวัสดุที่ UC San Diego "เราต้องการแนวทางที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง" เหมิงกล่าว

อันที่จริง UC San Diego นำทีมใช้แนวทางที่แตกต่างออกไป: พวกเขากำจัดคาร์บอนและสารยึดเกาะที่ไปกับแอโนดที่เป็นซิลิกอนทั้งหมด นอกจากนี้ นักวิจัยยังใช้ไมโครซิลิกอนซึ่งมีการประมวลผลน้อยกว่าและราคาถูกกว่านาโนซิลิกอนที่ใช้บ่อยกว่า

โซลูชันโซลิดสเตตทั้งหมด

นอกจากการกำจัดคาร์บอนและสารยึดเกาะทั้งหมดออกจากแอโนดแล้ว ทีมงานยังได้เอาอิเล็กโทรไลต์เหลวออกด้วย แต่พวกเขาใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่มีซัลไฟด์แทน การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนี้มีความเสถียรอย่างยิ่งในแบตเตอรี่ที่มีแอโนดที่เป็นซิลิกอนทั้งหมด

ศาสตราจารย์ Meng กล่าวว่า "งานใหม่นี้นำเสนอวิธีแก้ปัญหาที่มีแนวโน้มดีสำหรับปัญหาซิลิกอนแอโนด แม้ว่าจะมีงานต้องทำมากกว่านี้" ศาสตราจารย์ Meng กล่าว "ผมมองว่าโครงการนี้เป็นการตรวจสอบแนวทางของเราในการวิจัยแบตเตอรี่ที่ UC San Diego เราจับคู่ งานเชิงทฤษฎีและการทดลองที่เคร่งครัดที่สุดด้วยความคิดสร้างสรรค์และการคิดนอกกรอบ นอกจากนี้ เรายังรู้วิธีโต้ตอบกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมในขณะที่แสวงหาความท้าทายขั้นพื้นฐานที่ยากลำบาก"

ความพยายามในอดีตในการจำหน่ายแอโนดอัลลอยด์ซิลิกอนส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่คอมโพสิตซิลิกอน - กราไฟต์หรือการรวมอนุภาคที่มีโครงสร้างนาโนเข้ากับสารยึดเกาะโพลีเมอร์ แต่พวกเขายังคงต่อสู้กับเสถียรภาพที่ย่ำแย่

โดยการเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์เหลวเป็นอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง และในขณะเดียวกันก็เอาคาร์บอนและสารยึดเกาะออกจากซิลิกอนแอโนด นักวิจัยได้หลีกเลี่ยงความท้าทายที่เกี่ยวข้องมากมายที่เกิดขึ้นเมื่อแอโนดเปียกโชกในอิเล็กโทรไลต์ของเหลวอินทรีย์ในขณะที่แบตเตอรี่ทำงาน

ในเวลาเดียวกัน โดยการกำจัดคาร์บอนในแอโนด ทีมงานลดการสัมผัสระหว่างผิวหน้า (และปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการ) ด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง หลีกเลี่ยงการสูญเสียความจุอย่างต่อเนื่องซึ่งมักเกิดขึ้นกับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลว

การเคลื่อนไหวสองส่วนนี้ทำให้นักวิจัยสามารถเก็บเกี่ยวผลประโยชน์ของซิลิคอนที่มีต้นทุนต่ำ พลังงานสูง และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมได้อย่างเต็มที่

Impact & Spin-off Commercialization

Darren HS Tan ผู้เขียนคนแรกกล่าวว่า "แนวทางของซิลิคอนแบบโซลิดสเตตสามารถเอาชนะข้อ จำกัด มากมายในแบตเตอรี่ทั่วไป ซึ่งถือเป็นโอกาสที่น่าตื่นเต้นสำหรับเราในการตอบสนองความต้องการของตลาดในด้านพลังงานเชิงปริมาตรที่สูงขึ้น ต้นทุนที่ต่ำลง และแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานจากโครงข่าย" บนกระดาษวิทยาศาสตร์

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่มีซัลไฟด์เป็นพื้นฐานมักถูกเชื่อว่ามีความเสถียรสูง อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้อิงตามการตีความทางอุณหพลศาสตร์แบบดั้งเดิมที่ใช้ในระบบอิเล็กโทรไลต์เหลว ซึ่งไม่ได้คำนึงถึงความเสถียรทางจลนศาสตร์ที่ยอดเยี่ยมของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ทีมงานมองเห็นโอกาสที่จะใช้คุณสมบัติที่ขัดกับสัญชาตญาณนี้เพื่อสร้างขั้วบวกที่มีความเสถียรสูง

Tan เป็น CEO และผู้ร่วมก่อตั้งของสตาร์ทอัพ UNIGRID Battery ซึ่งได้รับอนุญาตให้ใช้เทคโนโลยีสำหรับแบตเตอรี่โซลิดสเตตซิลิคอนทั้งหมดเหล่านี้

งานพื้นฐานที่เกี่ยวข้องจะดำเนินต่อไปที่ UCSan Diego รวมถึงความร่วมมือด้านการวิจัยเพิ่มเติมกับ LG Energy Solution

"LG Energy Solution มีความยินดีที่การวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่กับ UC San Diego ได้ลงในวารสารScienceซึ่งเป็นการยอมรับที่มีความหมาย" Myung-hwan Kim ประธานและประธานเจ้าหน้าที่ฝ่ายจัดซื้อของ LG Energy Solution กล่าว "ด้วยการค้นพบล่าสุด LG Energy Solution ใกล้เคียงกับการใช้เทคนิคแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมด ซึ่งจะทำให้ผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ของเรามีความหลากหลายมากขึ้น"

“ในฐานะผู้ผลิตแบตเตอรี่ชั้นนำ LGES จะพยายามส่งเสริมเทคนิคล้ำสมัยในการวิจัยชั้นนำของเซลล์แบตเตอรี่รุ่นต่อไป” คิมกล่าวเสริม LG Energy Solution กล่าวว่ามีแผนที่จะขยายความร่วมมือด้านการวิจัยแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตกับ UC San Diego

การศึกษานี้ได้รับการสนับสนุนโดยนวัตกรรมแบบเปิดของ LG Energy Solution ซึ่งเป็นโปรแกรมที่สนับสนุนการวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่อย่างจริงจัง LGES ได้ทำงานร่วมกับนักวิจัยทั่วโลกเพื่อส่งเสริมเทคนิคที่เกี่ยวข้องสล็อตออนไลน์ 918kiss