รู้จักแบตเตอรี่ · ลิเทียม-ซัลเฟอร์ 2.2...
TRANSCRIPT
เมษายน - มถนายน 2559 9
สารพนความรดานพลงงานสดร. ธญญา แพรวพพฒน
หองปฏบตการวสดและงานระบบเพอใชประโยชนทางพลงงานไฟฟาเคมหนวยวจยวสดสำาหรบพลงงาน
• ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาตe-mail: [email protected]
รจกแบตเตอร ตอนท 5 แบตเตอรสำ หรบอนาคตอนใกลน
ในบทความกอนหนาน เราไดรจกแบตเตอรทมอยในทองตลาดปจจบน ทงแบตเตอร กรดตะกว แบตเตอรตระกลนกเกล และแบตเตอรลเทยมไอออน จะเหนวาแบตเตอร ทงสามชนดนมจดเดนและจดดอยแตกตางกน เชน แบตเตอรกรดตะกวมปญหาเกยวกบกำาลงไฟฟาทตำาและความเปนมตรตอสงแวดลอม [1] และแบตเตอรตระกลนกเกลมปญหาเรองปรากฏการณความจำา [2]
แมวาแบตเตอรลเทยมไอออนเหมาะกบการใชงานเมอเปรยบเทยบคณสมบตกบแบตเตอรชนดอนตามทองตลาด ในปจจบนแตเราจะแนใจไดอยางไรวาแบตเตอรลเทยมไอออนยงคงเหมาะกบเทคโนโลยใหมๆทกำาลงจะมาถง?เหตใด เรายงไมสามารถผลตรถไฟฟาทขบเคลอนเปนระยะทางไกลๆได?ทำาไมยงมขาวเครองบนโบอง787Dreamlinerเกดไฟลกไหมเพราะปญหาแบตเตอรระเบด?บทความนจงขอถอโอกาสแนะนำาแบตเตอรในตระกลลเทยมอกสองชนดคอแบตเตอรลเทยม-แอรและแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรแบตเตอรทงสองชนดนยงอยในขนตอนการศกษาและพฒนาแตมศกยภาพทจะเขามาแทนทแบตเตอรลเทยมไอออนในอนาคตอนใกลน
เมษายน - มถนายน 255910
ภาพท 1: การเปรยบเทยบความจพลงงานตอนำาหนก ในทางปฏบตของแบตเตอรชนดทตยภมในแตละ ประเภท การทดสอบทำาโดยการใชกบรถยนตนสสน ลฟ และเปรยบเทยบระยะทางและราคา [5] สออนของแทงกราฟในสวนของแบตเตอรทอยในการพฒนา แสดงถงความจพลงงานตอนำาหนกในทางทฤษฎ ซง แสดงใหเหนถงความเปนไปไดทจะพฒนาแบตเตอร ใหไปสจดนน
คาความจพลงงานตอนำาหนกและคาความจพลงงานตอปรมาตรของแบตเตอรลเทยมไอออน แบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรและแบตเตอรลเทยม-แอรเปรยบเทยบไวในตารางท1แสดงใหเหนวาไมใชแคความจพลงงานตอนำาหนกเทานนทแบตเตอรชนดใหมในตระกลลเทยมทงสองชนดจะสงกวาแบตเตอรลเทยมไอออนแตยงรวมไปถงความจพลงงานตอปรมาตรดวยดงนนแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรและแบตเตอรลเทยม-แอรจงเปนแบตเตอรทไดรบความสนใจอยางมากในการวจยและพฒนาเพอใชแทนแบตเตอรลเทยมไอออนซงใชกนอยางแพรหลายในปจจบน
ตารางท 1:สมบตของแบตเตอรลเทยมประเภทตางๆ(ดดแปลงมาจากเอกสารอางอง5)
ถาม:ในปจจบนมแบตเตอรชนดไหนทมคณสมบตดกวาแบตเตอรลเทยมไอออนหรอไม?ตอบ:หากกลาวถงแบตเตอรประเภททชารจไฟใหมไดในทองตลาดปจจบนอาจถอวาแบตเตอรลเทยมไอออนมคณสมบตโดยรวมดกวาแบตเตอรชนดอนสำาหรบใชกบรถพลงงานไฟฟาและอปกรณอเลกทรอนกสแบบพกพาแตเนองจากขอจำากดในการใชงานทอณหภมตำาและราคาสง (เมอเทยบกบแบตเตอรอน) รวมถงความปลอดภยทยงไมเพยงพอทำาใหนกวจยทวโลกพยายามพฒนาแบตเตอรชนดใหมขน
ในระดบการวจยและพฒนา ขณะนมแบตเตอรในตระกลลเทยม 2 ชนดทไดรบความสนใจอยางมาก แบตเตอรทง2ชนดมความจพลงงานตอนำาหนกสงกวาแบตเตอรลเทยมไอออน(ภาพท1)เมอทดสอบระยะทางดวยรถนสสนลฟ[3]โดยใชคาความจพลงงานจำาเพาะทตำาทสดในแบตเตอรแตละชนดพบวาแบตเตอรลเทยมไอออนทำาใหรถวงไดระยะทาง160กโลเมตรในขณะทแบตเตอรชนดอนทอยในขนวจยและขนพฒนาทำาใหรถวงไดไกลกวา 200กโลเมตรโดยมราคาตอกำาลงไฟฟาตอชวโมงทถกกวาราว4เทา(ราคาของแบตเตอรทอยในขนวจยและขนพฒนากำาหนดโดยUSAdvancedBatteryConsortium[4])
ชนดแบตเตอรและปฏกรยา ศกยไฟฟา (โวลต)
ความจพลงงานตอนำาหนก (Wh/kg)
ความจพลงงานตอปรมาตร (Wh/l)
ลเทยมไอออน 3.8 387 1,015
ลเทยม-ซลเฟอร 2.2 2,567 2,199
ลเทยม-แอร (อเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปน
องคประกอบ)
3.0 3,505 3,436
ลเทยม-แอร(อเลกโทรไลตมนำาเปนองคประกอบ) 3.2 3,582 2,234
เมษายน - มถนายน 2559 11
ภาพท 2: แผนภาพแสดงหลกการทำางานของแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอร ขณะคายประจ Li+ จะทำาปฏกรยากบซลเฟอรเกดเปนสารประกอบ ลเทยมซลไฟดหลายองคประกอบทขวบวก และขณะอดประจ Li+ จะกลบ เขาสโครงสรางของวสดขวลบ [8]
เมอทำาการคายประจ(discharge)ไอออนของลเทยมจะเคลอนออกจากโครงสรางของขวลบผานเยอเลอกผานเขาสขวบวกจะเกดปฏกรยาของซลเฟอรกบลเทยมขนทขวบวกไดสารประกอบของลเทยมซลไฟลซงอาจมองคประกอบทางเคมหลายอยาง(polysulfides)คอLi
2S
8,Li
2S
6,Li
2S
4,Li
2S
3,Li
2S
2และLi
2Sสวนขณะการอด
ประจ(charge)ปฏกรยาจะเกดในทศทางตรงกนขาม(ภาพท2)
ถาม:ทำไมแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรมความจจำเพาะมากกวาแบตเตอรลเทยมไอออน?ตอบ:แบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรมความจจำาเพาะมากกวาเนองจากปฏกรยาทเกดขนทขวบวกทเปนสารประกอบ คารบอน-ซลเฟอรโดยซลเฟอรจะเกดปฏกรยากบลเทยมเปนLi
2Sโดยซลเฟอร1อะตอมจะทำาเกดอเลกตรอน
2อเลกตรอนในขณะทขวบวกของแบตเตอรลเทยมไอออนทเปนลเทยมเมทลออกไซดจะเกดอเลกตรอนมากทสดเพยง1อเลกตรอนเทานน[9]ปฏกรยาทเกดขนทขวบวกของแบตเตอรทงสองชนดคอ
ถาม:แบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรมหลกการทำงานอยางไร?ตอบ:แบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรคดคนครงแรกในชวงทศวรรษท1960แตไมไดรบความสนใจในการคนควาวจย มากนกเนองจากมรอบการใชงานสนแมวาจะมความหนาแนนพลงงานสงแบตเตอรชนดนไดรบความสนใจอกครง หลงจากปพ.ศ.2552เนองจากทมวจยของศาสตราจารยNazar[6]นำาเสนอแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรทมรอบการใชงานนานขน
แบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรมสวนประกอบทสำาคญไดแก • ขวลบเปนโลหะลเทยม • ขวบวกเปนสารประกอบคารบอน-ซลเฟอร(C/Scomposite)โดยทคารบอนจะชวยการนำาไฟฟาและ
ซลเฟอรจะทำาปฏกรยากบลเทยม • สารละลายอเลกโทรไลต เชน เกลอ LiCF
3SO
3 LiCF
6หรอ LiCF
3(SO
2)2N (LiTFSI) ในตวทำาละลาย
เชน1,3-dioxolane(DOL),dimethylcarbonate(DMC),dimethoxyethane(DME)และ/หรอpolyethyleneglycoldimethylether(PEGDME)
• เยอเลอกผาน(separator)กนระหวางขวลบและขวบวกทำาจากlithiatedNafionmembrane[7]
เมษายน - มถนายน 255912
ภาพท 1 อตราสวนของวยทำางานตอผสงอาย [1]
แบตเตอรลเทยม-ซลเฟอร:
แบตเตอรลเทยมไอออน: ถาม:ในเมอแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรมความจจำเพาะมากกวาแบตเตอรลเทยมไอออน เหตใดจงยงไมมวางขายในทองตลาด?ตอบ:แบตเตอรชนดนอยในขนตอนการวจยและพฒนาเพอใหสามารถใชงานไดจรงปญหาของแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรทนกวจยพยายามแกไขคออายการใชงานทตำาอนเนองมาจาก
• ปฏกรยาทเกดขนระหวางลเทยมทขวลบและอเลกโทรไลต • การทคาความจไฟฟาลดลงอยางรวดเรว เนองจากสารประกอบของลเทยมซลไฟดซงเคลอนทผานขว
บวกไปยงขวลบทำาปฏกรยากบลเทยมเกดเปนLi2Sทขวลบเรยกวา“shuttleeffect”[10,11]
• การทขวลบมการสะสมตะกอนLi2SและLi
2S
2ซงเปนฉนวนจงทำาใหศกยไฟฟาลดลงอยางรวดเรว[12]
ถาม:แบตเตอรลเทยม-แอรมหลกการทำงานอยางไร?ตอบ:แบตเตอรลเทยม-แอรคดคนครงแรกในปพ.ศ.2509จนกระทงทมวจยของศาตราจารยKuzhikalail.M.Abrahamไดนำาเสนอแบตเตอรลเทยม-แอรสมยใหมเมอปพ.ศ.2539โดยเรมตนจากการใชโลหะลเทยมเปนขวลบคารบอนทมรพรนเปนขวบวกของแบตเตอรและพอลเมอรแบบเจลเปนอเลกโทรไลต[13]เซลลแบตเตอรชนดนนบวาเปนแบตเตอรลเทยม-แอรเซลลแรกซงเปนประเภททอเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปนองคประกอบ และสวนประกอบทงหมดของแบตเตอรมสถานะเปนของแขง ตางจากแบตเตอรลเทยมไอออนทมอเลกโทรไลตอยในสถานะของเหลว
แบตเตอรลเทยม-แอรมสวนประกอบทสำาคญคอ • ขวลบเปนโลหะลเทยม • ขวบวกเปนคารบอนและโลหะคะตะลสตทมรพรนเพอใหออกซเจนสามารถผานเขามาทำาปฏกรยากบลเทยมไอออน • สารละลายอเลกโทรไลต • เยอเลอกผานกนระหวางขวบวกและอากาศภายนอก
เมอทำาการคายประจไอออนของลเทยมจะเคลอนออกจากโครงสรางของขวลบจากการออกซไดซของลเทยมในขณะทออกซเจนจากอากาศจะเขาสขวบวกทมรพรน ถาม:แบตเตอรลเทยม-แอรมกประเภทแตละประเภทแตกตางกนอยางไร?ตอบ:ในปจจบน แบตเตอรลเทยม-แอรอาจแบงตามลกษณะอเลกโทรไลตทใชได 2 ประเภท ไดแก (1) อเลกโทรไลตมสารละลายอนทรยเปนองคประกอบ และ (2) อเลกโทรไลตมนำาเปนองคประกอบ แบตเตอรทงสองประเภทจะเกดปฏกรยารดกชนของออกซเจนขณะทำาการคายประจ แตวาปฏกรยาทเกดขนทขวบวกและบทบาทของอเลกโทรไลตแตกตางกน
แบตเตอรทอเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปนองคประกอบออกซเจนจะถกรดวซเปนO22-ซงจะเกด
ปฏกรยากบไอออนของลเทยมทมาจากอเลกโทรไลตกลายเปนLi2O
2ทขวบวกและขณะเกดการอดประจปฏกรยา
จะเกดในทางตรงกนขามดงแสดงในภาพท3
ปฏกรยาทเกดขนทขวบวก
เมษายน - มถนายน 2559 13
ภาพท 1 อตราสวนของวยทำางานตอผสงอาย [1]
ภาพท 3: แสดงหลกการทำางานของแบตเตอรลเทยม-แอรประเภททอเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปนองคประกอบขณะคายประจ Li+ จะทำาปฏกรยากบออกซเจนเกดเปน Li
2O
2 ทขวบวก และขณะอดประจ
Li+ จะกลบเขาสโครงสรางของวสดขวลบ [ดดแปลงจากเอกสารอางอง 6]
แบตเตอรทอเลกโทรไลตมนำาเปนองคประกอบเนองจากนำามสวนในปฏกรยาดวยบางครงจงเรยกวาแบตเตอร ลเทยม-นำา ออกซเจนจะถกรดวซเปน OH- ซงจะเกดปฏกรยากบไอออนของลเทยมทมาจากอเลกโทรไลต กลายเปนLiOHทขวบวกและขณะเกดการอดประจปฏกรยาจะเกดในทางตรงกนขาม(ภาพท4)สงทแตกตางจากแบตเตอรประเภททอเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปนองคประกอบ(นอกจากอเลกโทรไลต)คอมเยอเลอกผานบรเวณผวสมผสระหวางโลหะลเทยมทขวลบและอเลกโทรไลต
ปฏกรยาทเกดขนทขวบวก:
ภาพท 4 : แผนภาพแสดงหลกการทำางานของแบตเตอรลเทยม-แอรประเภททอเลกโทรไลตมนำาเปนองคประกอบขณะคายประจ Li+ จะทำาปฏกรยากบออกซเจนเกดเปน LiOH ทขวบวก และขณะอดประจ Li+ จะกลบเขาสโครงสรางของวสดขวลบ [ดดแปลงจากเอกสารอางอง 6]
เมษายน - มถนายน 255914
ถาม:แบตเตอรลเทยม-แอรและเซลลเชอเพลงลเทยม-แอรแตกตางกนอยางไร?ตอบ:แบตเตอรทใกลเคยงเซลลเชอเพลงลเทยม-แอรทสดคอแบตเตอรลเทยม-แอรประเภททอเลกโทรไลตมนำาเป นองคประกอบ เนองจากเซลลชนดนมศกยภาพทจะเพมประสทธภาพใหดขนโดยใชอเลกโทรไลต 3 ชนดทงแบบอนทรยแบบของแขงและแบบของเหลวทมนำาเปนองคประกอบตดตงเรยงกนจากฝงขวลบไปยงขวบวกและตดตงขวบวกเพมขนอกขวเพอทจะใชสำาหรบการอดประจโดยเฉพาะ(ภาพท5ซาย)แบตเตอรชนดใหมนมคาความจไฟฟาขณะทำาการอดประจสงถง9,600mAh/gซงมากกวาแบตเตอรลเทยม-แอรแบบธรรมดา(700-3,000mAh/g)
แบตเตอรลเทยม-แอรชนดใหมสามารถทำาใหเปนระบบการคายประจแบบตอเนองไดโดยการนำาขวบวกทใชสำาหรบการอดประจโดยเฉพาะออกและเตมโลหะลเทยมเขาอยางตอเนองทางขวลบโดยโลหะลเทยมนสามารถผลตไดจากLiOHซงเกดจากปฏกรยาในอเลกโทรไลตแบบของเหลวทมนำาเปนองคประกอบ(ภาพท5ขวา)เซลลทมระบบการคายประจตอเนองนสามารถเรยกวา“เซลลเชอเพลงลเทยม-แอร”[14]ซงพฒนาโดยสถาบนวจยแหงชาตของญปนAIST
ภาพท 5: (ซาย) แผนภาพแสดงหลกการทำางานของแบตเตอรลเทยม-แอรประเภททอเลกโทรไลตมนำาเปนองคประกอบชนดใหมขณะคายประจ (ขวา) แผนภาพแสดงหลกการทำางานของเซลลเชอเพลงลเทยม-แอรขณะคายประจ [ดดแปลงจากเอกสารอางอง 14]
ถาม:ป ญหาของแบตเตอรชนดลเทยม-แอรคออะไร ทำไมถงยงไมมวางขายในทองตลาด?ตอบ:เนองจากลเทยม-แอรทงประเภททอเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปนองคประกอบ และประเภทท อ เลก โทรไลตมนำาเปนองคประกอบแตกตางกนพอสมควร ดงนน เหตผลทแบตเตอรทงสองยงอยในขนตอน การวจยและพฒนาจงตองแยกพจารณาดงน
แ บตเต อรประเภททอเลกโทรไลตใชสารละลายอนทรยเปนองคประกอบปญหาทเกดขนทขวบวกคอ คารบอนไดออกไซดและนำาจากอากาศทำาปฏกรยากบลเทยมไอออนเกดเปนLi
2CO
3และLiOHตามลำาดบจง
ต องต ดตงเยอเลอกผานบรเวณขวบวกทสมผสกบอากาศเพอกรองใหออกซเจนผานเขามาไดเทานน นอกจากน ค ณสมบตของอเลกโทรไลตทดจะตองมการนำาลเทยมไอออนทเพยงพอ ไมเกดปฏกรยากบออกซเจนและสารประกอบLiO
xและไมเกดการระเหยบรเวณทสมผสกบขวบวกดงนนอเลกโทรไลตทมสถานะของแขงจงได
รบความสนใจในการพฒนาเพอใชทดแทนอเลกโทรไลตทมสถานะของเหลวซงมปญหาเรองความเสถยร
แบตเตอรประเภททอเลกโทรไลตมนำาเปนองคประกอบ มการตดตงเยอเลอกผานบรเวณขวบวกทสมผส ก บอาก าศสำาหรบกรองใหผานเขามาไดเพยงออกซเจนและกนไมใหคารบอนไดออกไซดผาน เนองจากปญหาท
เมษายน - มถนายน 2559 15
เอกสารอางอง[1] บทความรจกแบตเตอรตอนท2วารสารเทคโนโลยวสดฉบบท76มกราคม-มนาคม2558หนา65-72[2] บทความรจกแบตเตอรตอนท3วารสารเทคโนโลยวสดฉบบท77เมษายน-มถนายน2558หนา51-57[3] http://www.nissanusa.com/leaf-electric-car/specs-features/index#/leafelectric-car/specs-features/index.[4] USAdvancedBatteryConsortiumUSABCGoalsforAdvancedBatteriesforEVs (2006).Availableat:http://uscar.org/commands/files_download.php?files_id=27.[5] PeterG.Bruce,StefanA.Freunberger,LaurenceJ.Hardwick,Jean-MarieTarascon,NatureMaterials11,19–29(2012).[6] X.Ji,K.T.Lee,L.F.Nazar,Nat.Mater.2009,8(6),500-506.[7] Jin,Z.;Xie,K.;Hong,X.;Hu,Z.;Liu,X.J.PowerSources2012,218,163.[8] Mikhaylik,Y.,Kovalev,I.,Schock,R.,Kumaresan,K.,Xu,J.,andAffinito,J.(2010).HighenergyrechargeableLi-Scells
forEVapplication.status,remainingproblemsandsolutions.ECSTrans.25,23–34.doi:10.1149/1.3414001[9] Manthiram,A.;Fu,Y.;Chung,S.H.;Zu,C.;Su,Y.S.RechargeableLithium-SulfurBatteriesChem.Rev.2014,114,
11751–11787,DOI:10.1021/cr500062v[10] Mikhaylik,Y.V.&Akridge,J.R.PolysulfideshuttlestudyintheLi/Sbatterysystem.J.Electrochem.Soc.151,A1969–
A1976(2004).[11] Yang,Y.,Zheng,G.,Misra,S.,Nelson,J.,Toney,M.F.andCui,Y.(2012).High-capacitymicrometersizedLi2Sparticles
ascathodematerialsforadvancedrechargeablelithium-ionbatteries.J.Am.Chem.Soc.134(37):15387-15394.[12] ธนยาภรณฮอมณ,นงลกษณมทอง,วารสารวทยาศาสตรมข.43(1)19-27(2558)[13] K.M.Abraham1andZ.Jiang,J.Electrochem.Soc.1996volume143,issue1,1-5[14] http://www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2009/20090727/20090727.html
เกดขนทขวบวกคอคารบอนไดออกไซดจากอากาศจะทำาปฏกรยากบลเทยมไอออนเกดเปน Li2CO
3 ทสำาคญคอ
การปองกนไมใหโลหะลเทยมทขวลบเกดปฏกรยากบนำาโดยตดตงเยอเลอกผานทเปนฉนวนอเลกทรอนกสแตเปน ตวนำาลเทยมไอออนเชนเซรามกประเภทLISICONและการตกตะกอนสะสมของLiOHทเปนของแขงจะจำากด ความจพลงงานเนองจากกนขวางเยอเลอกผานทขวลบและอดตนในรพรนของขวบวกดงนนจงควรจะตดตงเยอ เลอกผานอกชนดทบรเวณระหวางอเลกโทรไลตและขวบวกเพอเลอกใหOH-ผานออกจากขวบวกสวนลเทยม ไอออนผานเขาสขวบวกเทานนนอกจากนยงตองปองกนไมใหสารประกอบคารบอเนตทเกดจากกาซคารบอนได ออกไซดเขาสขวบวกอกดวยทงนเพอปองกนการเกดของLi
2CO
3
จะเหนไดวานกวจยยงมโอกาสอยางมากในการศกษาและพฒนาแบตเตอรลเทยม-ซลเฟอรและแบตเตอร ลเทยม-แอรเพอใหไดวสดภายในแบตเตอรและการประกอบทเหมาะสมซงจะทำาใหรอบการใชงานเพมมากขน ทงยง เพมคาความจพลงงานใหไดใกลเคยงกบคาทางทฤษฎใหมากทสด อนจะทำาใหแบตเตอรชนดใหมนออกส ทองตลาดได
นอกจากแบตเตอรในตระกลลเทยมแลวยงมแบตเตอรชนดอนทนาสนใจซงคาดวาจะใชกบเทคโนโลยในอนาคตไมวาจะเปนแบตเตอรโซเดยมไอออนหรอวาแบตเตอรสงกะส-แอรคณผอานทสนใจโปรดรออานไดในฉบบตอไปคะ