เมตา-อิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายต่ำใหม่ทำให้การทำงานของแบตเตอรี่ไอออน-แรงดันไฟฟ้าโซเดียมสูง-เสถียร

ริชแลนด์, วอชิงตัน / ลอนดอน– นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติแปซิฟิกตะวันตกเฉียงเหนือ (PNNL) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาเคมีอิเล็กโทรไลต์ใหม่ที่ช่วยให้แบตเตอรี่-โซเดียมแรงดันไฟสูง-ไอออนสามารถทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อน โดยจัดการกับ-อุปสรรคที่มีมายาวนานต่อความสามารถในการแข่งขันทางการค้าของเทคโนโลยี

งานนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nano Energy โดยนำเสนอ "อิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายเมตา-อย่างอ่อนแอ" - ซึ่งเป็นปรัชญาการออกแบบที่จงใจคลายพันธะระหว่างไอออนโซเดียมและโมเลกุลของตัวทำละลาย เพื่อระงับปฏิกิริยาข้างเคียงที่เป็นอันตรายที่พื้นผิวอิเล็กโทรด วิธีการนี้แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างขั้นพื้นฐานจากวิศวกรรมอิเล็กโทรไลต์แบบเดิมๆ

 

สูตรอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ที่ใช้กันทั่วไปโดยทั่วไปได้รับการพัฒนาเพื่อละลายไอออนของโลหะอย่างเพียงพอ เพื่อให้ไอออนของโลหะสามารถเคลื่อนที่ผ่านของเหลวและนำพาประจุได้ อย่างไรก็ตาม การเชื่อมโยงอย่างแน่นหนาของไอออนโลหะกับตัวทำละลายส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ "เปลือก" ไอออนิกที่มีความเสถียรอย่างไม่น่าเชื่อรอบๆ ไอออนของโลหะ ดังนั้น จึงป้องกันการสลายของเปลือกนี้ที่พื้นผิวอิเล็กโทรด และการกักขังของโมเลกุลอิเล็กโทรไลต์ในปฏิกิริยาเคมีของปรสิตเมื่อเปลือกนี้แตก ผลลัพธ์ก็คืออิเล็กโทรไลต์ถูกใช้ไปในการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่และเร่งให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลง

นักวิจัยของ PNNL ใช้แนวทางที่แตกต่างออกไปและพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายเมตา-อย่างอ่อน โดยที่โซเดียมไอออนมีแรงจับกับโมเลกุลของตัวทำละลายต่ำกว่ามาก อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นตัวทำละลายเมตา-อย่างอ่อนมีโครงสร้างการละลายระดับกลางที่ช่วยให้ไอออนโซเดียมครอบครองโครงสร้างนี้ และมีลักษณะเฉพาะของไอออนที่แตกต่างกันที่ส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรด ผลก็คือ ปฏิกิริยาระหว่างตัวทำละลายเข้มข้น-ไม่สร้างเปลือกไอออนที่เสถียรมากเกินไปที่ส่วนต่อประสานของอิเล็กโทรด ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่

"ธรรมชาติของสารละลายเมตา- ซึ่งหมายถึงสารละลาย Na⁺ อ่อนแอกว่าอิเล็กโทรไลต์ตัวทำละลายเดี่ยว-ที่มีส่วนประกอบตัวทำละลายอ่อนที่สุดอย่างมาก ได้รับการยืนยันโดย ²³Na NMR" นักวิจัยเขียน ด้วยการวิเคราะห์สเปกโทรสโกปีเสริม - รวมถึง Raman และ FT-IR - ทีมงานแสดงให้เห็นว่าการละลายที่อ่อนลงเกิดขึ้นจากไดนามิกของโซลเวชันที่ได้รับการปรับปรุง และส่งผลต่อการประสานกันของตัวทำละลายเป็นส่วนใหญ่

ผลลัพธ์แสดงให้เห็นข้อดีที่ชัดเจน การออกแบบเซลล์แบตเตอรี่ที่นำเสนอทำให้การเคลื่อนที่ของโซเดียมดีขึ้น ในขณะที่เซลล์แบตเตอรี่แบบทั่วไปมีการเสื่อมสภาพและความไม่เสถียรเร็วกว่า การทดสอบกระแสไฟรั่วยืนยันว่าเซลล์ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายเมตา-อย่างอ่อนให้ความเสถียรของส่วนต่อประสานแรงดันไฟฟ้าสูง-ที่ดีที่สุด ซึ่งสอดคล้องกับ-ปฏิกิริยาของตัวทำละลายอิสระที่ลดลง และการก่อตัวของเฟสระหว่างเฟสของแคโทด–อิเล็กโตรไลต์ (CEI) ที่ได้รับการปรับปรุง

สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือ เซลล์เต็มสามารถรักษาความจุไว้ได้ 80% หลังจากผ่านไป 500 รอบ ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าทั้งอิเล็กโทรไลต์ที่มีคาร์บอเนต-แบบธรรมดาและอิเล็กโทรไลต์ที่มีความเข้มข้นสูง-เฉพาะจุด (LHCE) อย่างมาก ผู้เขียนนำ An L. Phan ตั้งข้อสังเกตว่า "อิเล็กโทรไลต์ตัวใหม่นี้แสดงถึงกลยุทธ์ใหม่ในการควบคุมโครงสร้างสารละลาย Na ที่สามารถเอื้อให้เกิดปฏิกิริยาที่ดีและระงับปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์" ส่งผลให้การสูญเสียและการย่อยสลายวัสดุเซลล์ที่ไม่สามารถกลับคืนสภาพเดิมลดลงภายใต้สภาวะการใช้งานจริง

แบตเตอรี่โซเดียม-ถือเป็นตัวเลือกหนึ่งเนื่องจากมีสารเคมีคล้ายคลึงกัน แต่ยังแตกต่างกันในแง่ของความอุดมสมบูรณ์ การเข้าถึงได้ ราคา และความเสถียรเมื่อเทียบกับ Li-ไอออน อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่โซเดียม-ยังคงใช้เวลาในการพัฒนาเชิงพาณิชย์นานกว่าเมื่อเทียบกับลิเธียม โดยมีรถเก๋งเชิงพาณิชย์จำนวนมากที่ผลิตด้วยแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่จำหน่ายมาตั้งแต่ปี 1990 และรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้เคมีโซเดียม-ได้เปิดตัวในช่วงปลายปี 2023 โดยมีน้อยกว่า 1% ของการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมดของโลก- ณ ปี 2025

ไดนามิกนั้นกำลังเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว CATL ผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่ที่สุดของโลกได้ยืนยันแผนการใช้งาน-โซเดียม-ไอออนขนาดใหญ่ในหลายภาคส่วนโดยเริ่มในปี 2026 รวมถึงคำสั่งซื้อระบบกักเก็บพลังงาน 60 GWh BYD ได้เริ่มก่อสร้างโรงงานแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนแห่งแรก ปัจจุบันตลาดแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนมีมูลค่าอยู่ที่ 2.9 พันล้านและคาดว่าจะเพิ่มขึ้นเป็น 2.9 พันล้านและคาดว่าจะมีมูลค่ามากกว่าสองเท่าเป็น 6.2 พันล้านภายในปี 2574 จากข้อมูลของ IEA โครงสร้างการละลายของไอออนประจุลบที่มีประสิทธิผล-เกิดขึ้นได้ ในขณะที่การเคลื่อนย้าย Na⁺ ในท้องถิ่นที่เหมาะสมและการละลายของน้ำยังคงอยู่

ความก้าวหน้าของ PNNL มาถึงช่วงเวลาสำคัญของเทคโนโลยีโซเดียม-ไอออน ด้วยการแก้ไขความไม่เสถียรของพื้นผิวที่มีการจำกัดการทำงานของแรงดันไฟฟ้าสูง-ในอดีต ทำให้อิเล็กโทรไลต์ที่มีตัวทำละลายน้อย-เมตาจะขจัดอุปสรรคสำคัญในการบรรลุถึงความหนาแน่นของพลังงานที่จำเป็นสำหรับการนำ EV มาใช้ที่กว้างขึ้น งานวิจัยนี้มีอยู่ใน Nano Energy เล่มที่ 154 กรกฎาคม 2026 ฉบับเต็ม

เนื่องจากปี 2026 ได้รับการยกย่องอย่างกว้างขวางว่าเป็น "ปีที่หนึ่ง" เชิงพาณิชย์สำหรับแบตเตอรี่โซเดียม- และด้วยการที่ผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่ลงนามในข้อตกลงการจัดหาหลาย-กิกะวัตต์-ชั่วโมง หน้าต่างสำหรับเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานที่ใช้โซเดียม-ในการอ้างสิทธิ์ส่วนแบ่งที่มีความหมายของตลาดแบตเตอรี่ทั่วโลกไม่เคยกว้างไกลขนาดนี้มาก่อน