1. บทนำ
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานหลักสำหรับยานยนต์พลังงานใหม่ สถานีพลังงานกักเก็บพลังงาน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา มีความหนาแน่นของพลังงาน อายุการใช้งาน และความปลอดภัย ซึ่งกำหนดเพดานการพัฒนาของอุตสาหกรรมปลายน้ำโดยตรงโฟมนิกเกิล ด้วยข้อได้เปรียบด้านโครงสร้างและประสิทธิภาพการทำงานที่ผสานกันอย่างลงตัวของ ตื๊ดๆๆๆๆ ได้แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่โดดเด่นในการแก้ปัญหาต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพต่ำของตัวเก็บกระแสไฟฟ้าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม และการใช้วัสดุแอคทีฟที่ไม่เพียงพอ ได้กลายเป็นวัสดุเสริมสำคัญสำหรับการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสิทธิภาพสูง บทความนี้วิเคราะห์คุณลักษณะหลัก กลไกการออกฤทธิ์ และความก้าวหน้าในการใช้งาน
2. การวิเคราะห์พื้นฐานของโฟมนิกเกิล
2.1 โครงสร้างและคุณสมบัติ
โฟมนิกเกิลมีโครงสร้างเครือข่ายเชื่อมต่อกันแบบสามมิติ โดยมีความพรุนโดยทั่วไป 80%-95% พื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุด 1-5 ตารางเมตร/กรัม ค่าความต้านทานไฟฟ้าต่ำถึง 5-10 ไมโครโอห์ม·เซนติเมตร ที่อุณหภูมิห้อง และความต้านทานแรงดึงประมาณ 15-30 เมกะปาสคาล ความพรุนที่สูงนี้ช่วยให้สามารถรับน้ำหนักวัสดุแอคทีฟ (เช่น แคโทดกำมะถันและแอโนดที่ทำจากซิลิคอน) ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้สูง (สูงกว่าตัวเก็บกระแสไฟฟ้าแบบฟอยล์อะลูมิเนียมทั่วไป 20%-40%) คุณสมบัติการนำไฟฟ้าและความแข็งแรงเชิงกลที่ดีเยี่ยมช่วยลดการสูญเสียอิเล็กตรอนในการส่งผ่าน ขณะเดียวกันก็ทนต่อการขยายตัวของปริมาตรของอิเล็กโทรดในระหว่างรอบการชาร์จ-คายประจุ จึงเป็นโครงสร้างที่รองรับการทำงานของแบตเตอรี่ได้อย่างมีเสถียรภาพในระยะยาว
2.2 กระบวนการเตรียมการ
วิธีการเตรียมกระแสหลักแบ่งออกเป็นการชุบด้วยไฟฟ้าและการรีดิวซ์ทางเคมี:
วิธีการชุบด้วยไฟฟ้า: ใช้โฟมโพลียูรีเทนเป็นวัสดุตั้งต้น เคลือบชั้นนิกเกิลบนพื้นผิวของโครงด้วยกระบวนการชุบด้วยไฟฟ้า ตามด้วยการล้างไขมันที่อุณหภูมิสูงและการเผาผนึกแบบรีดักชันเพื่อผลิตโฟมนิกเกิล ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์สามารถสูงถึง 99.5% โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนของความสม่ำเสมอของช่องรับแสงน้อยกว่า 5% อย่างไรก็ตาม การลงทุนในอุปกรณ์ชุบด้วยไฟฟ้าค่อนข้างสูง และต้นทุนการผลิตต่อตันอยู่ที่ประมาณ 30,000-50,000 หยวน
วิธีการรีดักชันทางเคมี: ผสมสารละลายเกลือนิกเกิลกับสารรีดักชัน (เช่น โซเดียมไฮโปฟอสไฟต์) ปฏิกิริยารีดักชันจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของแม่แบบที่มีรูพรุนเพื่อสร้างชั้นนิกเกิล ค่าใช้จ่ายเพียง 60%-70% ของวิธีการอิเล็กโทรดพอยต์ ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตจำนวนมากขนาด 10,000 ตัน อย่างไรก็ตาม ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์อาจได้รับผลกระทบจากสิ่งเจือปนได้ง่าย และอาจเกิดการหลุดลอกของโครงสร้างจุลภาคได้ในระหว่างการใช้งานในระยะยาว
การเลือกกระบวนการทั้งสองต้องได้รับการพิจารณาอย่างครอบคลุมโดยพิจารณาจากสถานการณ์การใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (เช่น แบตเตอรี่ไฟฟ้ามีข้อกำหนดความบริสุทธิ์สูง ในขณะที่แบตเตอรี่กักเก็บพลังงานเน้นที่ต้นทุนมากกว่า)
3. กลไกการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
3.1 บทบาทในฐานะตัวรวบรวมกระแสอิเล็กโทรด
เมื่อใช้เป็นตัวเก็บประจุกระแสแบบแคโทดหรือแอโนด โครงสร้างเครือข่ายสามมิติของโฟมนิกเกิลสามารถสร้างเครือข่ายนำไฟฟ้าแบบสามมิติได้ ว๊าวววว ความยาวเส้นทางการถ่ายทอดอิเล็กตรอนสั้นลง 40%-60% เมื่อเทียบกับแผ่นโลหะแบบดั้งเดิม (เช่น แผ่นอลูมิเนียมฟอยล์และแผ่นทองแดง) ช่วยลดความต้านทานภายในแบตเตอรี่ลง 15%-25% ในขณะเดียวกัน โครงสร้างที่มีรูพรุนสามารถรองรับอิเล็กโทรไลต์ได้มากขึ้น ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายทอดไอออน ในการทดสอบการชาร์จ-คายประจุด้วยอัตรา 1C อัตราการคงความจุของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น 8%-12% เมื่อเทียบกับตัวเก็บประจุกระแสแบบดั้งเดิม และประสิทธิภาพการถ่ายทอดอิเล็กตรอนก็ดีขึ้นอย่างมาก
3.2 ประสิทธิภาพของกิจกรรมเร่งปฏิกิริยา
ในแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ อะตอมนิกเกิลบนพื้นผิวของโฟมนิกเกิลสามารถทำหน้าที่เป็นไซต์เร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยารีดักชันออกซิเจน (ออร์) และปฏิกิริยาวิวัฒนาการออกซิเจน (โออีอาร์) โดยลดพลังงานกระตุ้นปฏิกิริยาลงประมาณ 0.2-0.3 อีวี และลดช่องว่างแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จ-คายประจุของแบตเตอรี่ลง 10%-15% ในแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ โฟมนิกเกิลสามารถยับยั้งเอฟเฟกต์การกระสวยของลิเธียมโพลีซัลไฟด์และลดการสูญเสียของวัสดุที่ใช้งานผ่านการดูดซับทางเคมี ลดอัตราการสลายตัวของความจุของแบตเตอรี่หลังจาก 500 รอบเหลือต่ำกว่า 20% (แบตเตอรี่แบบดั้งเดิมโดยทั่วไปเกิน 30%)
3.3 ผลกระทบโดยรวมต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่
จากมุมมองของข้อมูลการทดสอบจริง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าโฟมนิกเกิล:
ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น 10%-30% (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมสามชนิดเพิ่มขึ้นจาก 280 อะไรนะ/กก. เป็น 350 อะไรนะ/กก.)
อายุการใช้งานของวงจรเพิ่มขึ้น 50%-100% (เช่น อัตราการรักษาความจุของแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตหลังจาก 2,000 รอบเกิน 85% ในขณะที่แบตเตอรี่แบบดั้งเดิมอยู่ที่ประมาณ 60%)
ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่ำได้รับการปรับให้เหมาะสม และประสิทธิภาพการชาร์จ-คายประจุที่อุณหภูมิ -20℃ เพิ่มขึ้น 15%-20% เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานของยานยนต์พลังงานใหม่ในพื้นที่ภาคเหนือที่มีอากาศหนาวเย็นได้
4. ความก้าวหน้าการวิจัยและกรณีศึกษาการประยุกต์ใช้
4.1 แนวโน้มการวิจัยที่ล้ำสมัย
การวิจัยปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การดัดแปลงโฟมนิกเกิลเพื่อก้าวข้ามข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพ:
การดัดแปลงแบบคอมโพสิต: การรวมกราฟีนและนาโนทิวบ์คาร์บอนเข้ากับโฟมนิกเกิลเพื่อสร้างเครือข่ายตัวนำไฟฟ้าที่ทำงานร่วมกันแบบ "นิกเกิล-คาร์บอน" ซึ่งจะเพิ่มการนำไฟฟ้าของวัสดุได้ 30%-50% พร้อมทั้งเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน
การปรับเปลี่ยนพื้นผิว: การสร้างชั้นป้องกันบนพื้นผิวของโฟมนิกเกิลผ่านการชุบด้วยไฟฟ้าของโคบอลต์ โลหะผสมนิกเกิล-ฟอสฟอรัส ฯลฯ อัตราการกัดกร่อนในอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์เป็นกรด (เช่น อิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถัน) ลดลงเหลือต่ำกว่า 0.01 มม./ปี (โฟมนิกเกิลที่ไม่ปรับเปลี่ยนอยู่ที่ประมาณ 0.05 มม./ปี)
การปรับปรุงโครงสร้าง: การพัฒนาโฟมนิกเกิลแบบรูพรุนไล่ระดับ (รูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิว รูพรุนขนาดใหญ่ในชั้นใน) ซึ่งไม่เพียงแต่รับประกันการโหลดวัสดุแอคทีฟเท่านั้น แต่ยังช่วยลดความต้านทานของอิเล็กโทรไลต์อีกด้วย เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องได้รับการตรวจสอบแล้วในตัวอย่างห้องปฏิบัติการของบริษัทต่างๆ เช่น แคทลียา และ บีวายดี
4.2 สถานะการสมัครภาคปฏิบัติ
โฟมนิกเกิลได้รับการนำไปใช้งานในวงกว้างในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสองประเภท:
แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์: บริษัทในประเทศแห่งหนึ่งใช้โฟมนิกเกิลเคลือบคาร์บอนเป็นตัวเก็บกระแสแคโทด แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ที่ผลิตได้มีความหนาแน่นพลังงาน 450 วัตต์ชั่วโมง/กิโลกรัม และถูกติดตั้งในโดรนขนาดเล็ก ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น 40% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิม
แบตเตอรี่พลังงาน: เทสลา ใช้ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าแบบขั้วบวกเสริมนิกเกิลโฟมในการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ 4680 เพิ่มความสามารถในการชาร์จ-ปล่อยประจุของแบตเตอรี่เป็น 4C (ชาร์จเต็มใน 15 นาที) พร้อมลดความเสี่ยงของการเกิดความร้อนหนีศูนย์
ปัจจุบัน ปัญหาหลักที่จำกัดการใช้งานในระดับใหญ่ยังคงเป็นเรื่องของต้นทุน โดยต้นทุนของตัวเก็บกระแสไฟฟ้าโฟมนิกเกิลคิดเป็นประมาณ 8%-12% ของทั้งหมดวัสดุแบตเตอรี่ต้นทุน (ตัวเก็บกระแสไฟฟ้าแบบดั้งเดิมคิดเป็นเพียง 3%-5%) และจำเป็นต้องลดต้นทุนเพิ่มเติมผ่านการปรับปรุงกระบวนการ
5. ความท้าทายและแนวโน้ม
5.1 ปัญหาที่มีอยู่
นอกเหนือจากปัญหาเรื่องต้นทุนแล้ว ยังมีความท้าทายหลักอีกสองประการ:
เสถียรภาพไม่เพียงพอ: ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแรงดันสูง (เช่น มากกว่า 4.5 V) โฟมนิกเกิลมีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดสารประกอบ นี³⁺ ส่งผลให้ค่าอิมพีแดนซ์ของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น และอัตราการสลายตัวของความจุเกิน 25% หลังจาก 1,000 รอบ
การควบคุมความสม่ำเสมอ: ในระหว่างการผลิตขนาดใหญ่ ความเบี่ยงเบนของขนาดรูพรุนและความหนาของโฟมนิกเกิลมีแนวโน้มที่จะเกิน ±10% ส่งผลให้เกิดความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระหว่างแบตเตอรีแต่ละชุดและส่งผลกระทบต่อการควบคุมคุณภาพขององค์กรปลายน้ำ
5.2 ทิศทางการพัฒนาในอนาคต
การลดต้นทุนกระบวนการ: การพัฒนาเทคโนโลยีการเคลือบด้วยไฟฟ้าแบบไม่มีเทมเพลต ตื๊ดๆๆๆๆ เพื่อกำจัดพื้นผิวโฟมโพลียูรีเทน ซึ่งคาดว่าจะลดต้นทุนการผลิตได้มากกว่า 30%
การปรับตัวในหลายสถานการณ์: สำหรับระบบจัดเก็บพลังงานใหม่ เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมโซลิดสเตตและแบตเตอรี่โซเดียมไอออน การพัฒนาวัสดุที่ได้มาจากนิกเกิลโฟมที่มีค่าอิมพีแดนซ์ต่ำและความเข้ากันได้สูง (เช่น ตัวพาอิเล็กโทรไลต์ของแข็งแบบคอมโพสิตที่ใช้นิกเกิล)
การอัพเกรดอุตสาหกรรม: การนำระบบตรวจสอบภาพ AI มาใช้เพื่อควบคุมข้อผิดพลาดของความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์โฟมนิกเกิลภายใน ±5% ตอบสนองความต้องการการผลิตจำนวนมากของแบตเตอรี่พลังงาน
