แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือแบตเตอรี่ Li-ion เป็น แบตเตอรี่แบบชาร์จได้ชนิดหนึ่งที่ใช้การแทรกตัว แบบย้อนกลับได้ของ ไอออนLi ^{+ เข้าไปในของแข็ง}ที่เป็นตัวนำ ไฟฟ้า เพื่อเก็บพลังงาน มีหลายประเภทที่แตกต่างกัน ซึ่งโดยทั่วไปจะแบ่งตามวัสดุที่ใช้ในแคโทด^{[ 12 ]}เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ประเภทอื่น ๆ โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีพลังงานจำเพาะ ความหนาแน่นของพลังงาน และประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่สูงกว่ารวมถึง อายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าในช่วงสามทศวรรษนับตั้งแต่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนวางจำหน่ายครั้งแรกในปี 1991 ความหนาแน่นของพลังงานต่อปริมาตรเพิ่มขึ้นสามเท่า ในขณะที่ต้นทุนลดลงสิบเท่า^{[ 13 ]}ในช่วงปลายปี 2024 ความต้องการทั่วโลกได้ผ่าน1 เทราวัตต์-ชั่วโมง ต่อปี^{[ 14 ]}ในขณะที่กำลังการผลิตมีมากกว่าสองเท่า^{[ 15 ]}

การประดิษฐ์และการนำแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาใช้ในเชิง พาณิชย์ ส่งผลกระทบอย่างมากต่อเทคโนโลยี^{[ 16 ]}ดังที่ได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำ ปี 2019 ซึ่งมอบให้แก่ผู้มีส่วนร่วมใน การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำให้สามารถใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค แบบพกพา คอมพิวเตอร์แล็ปท็อป โทรศัพท์มือถือและรถยนต์ไฟฟ้า ได้ นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการจัดเก็บพลังงานในระดับโครงข่ายและในการใช้งานทางทหารและอวกาศ^{[ 17 ]}โดยทั่วไปแล้วขนาดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ได้มีการกำหนดมาตรฐาน (เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ AA ) และมีรูปแบบต่างๆ ที่เป็นเอกลักษณ์ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์และผู้ผลิต^{[ 18 ]}โดยทั่วไปจะมีแรงดันไฟฟ้า ปกติ ที่ 3.6 หรือ 3.7 โวลต์^{[ 19 ]}

M. Stanley Whittinghamคิดค้นอิเล็กโทรดแบบแทรกสอดในช่วงทศวรรษ 1970 และสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้เครื่องแรก โดยใช้ แคโทด ไทเทเนียมไดซัลไฟด์และแอโนดลิเธียมอะลูมิเนียม แม้ว่าจะประสบปัญหาด้านความปลอดภัยและไม่เคยถูกนำไปจำหน่ายในเชิงพาณิชย์^{[ 20 ]} John Goodenoughได้ขยายงานนี้ในปี 1980 โดยใช้ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์เป็นแคโทด^{[ 21 ]}ต้นแบบแรกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสมัยใหม่ ซึ่งใช้แอโนดคาร์บอนแทนโลหะลิเธียม ได้รับการพัฒนาโดยAkira Yoshinoในปี 1985 และจำหน่ายในเชิงพาณิชย์โดย ทีมงาน SonyและAsahi Kaseiที่นำโดย Yoshio Nishi ในปี 1991 ^{[ 22 ]} Whittingham, Goodenough และ Yoshino ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2019 จากผลงานของพวกเขาในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจก่อให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้หรือการระเบิดได้ เนื่องจากมีอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ ความก้าวหน้าได้เกิดขึ้นในการพัฒนาและการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ปลอดภัยยิ่งขึ้น^{[ 23 ]}กำลังมีการพัฒนา แบตเตอรี่ ลิเธียมไอออนแบบโซลิดสเตท เพื่อกำจัดอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ ^{[ 24 ]}ลิเธียมและแร่ธาตุอื่นๆ อาจก่อให้เกิดปัญหาสำคัญในการทำเหมือง โดยลิเธียมต้องการน้ำมากในพื้นที่แห้งแล้ง และแร่ธาตุอื่นๆ ที่ใช้ในเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนบางชนิดอาจเป็น แร่ ธาตุที่ก่อให้เกิดความขัดแย้งเช่นโคบอลต์^{[ 25 ]}ปัญหาสิ่งแวดล้อมได้กระตุ้นให้นักวิจัยบางคนปรับปรุงประสิทธิภาพของแร่ธาตุและค้นหาทางเลือกอื่น เช่น เคมีแบตเตอรี่ ลิเธียมไอออนลิเธียมเหล็กฟอสเฟตหรือเคมีแบตเตอรี่ที่ไม่ใช้ลิเธียม เช่น แบตเตอรี่ โซเดียมไอออนและแบตเตอรี่เหล็กอากาศ

เซลล์ลิเธียมไอออนสามารถผลิตขึ้นเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพความหนาแน่นของพลังงานหรือความหนาแน่นของกำลัง^{[ 26 ]}อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ (โดยใช้เจลโพลิเมอร์เป็นอิเล็กโทรไลต์) ซึ่งเป็นลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ( LiCoO) ) วัสดุแคโทดและราไฟต์ซึ่งรวมกันแล้วให้ความหนาแน่นพลังงานสูง^{[ 27 ]}^{[ 28 ]}ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต(LiFePO ) )ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์(LiMn)โอสปิเนลหรือหลี่ MnOชนิด (LMR-NMC) และลิเธียม นิกเกล แมงกานีส โคบอลต์ ออกไซด์(LiNiMnCoO)หรือ NMC) อาจมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นและอัตราการคายประจุที่สูงขึ้น^{[ 29 ]} NMC และอนุพันธ์ของมันถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้พลังงานไฟฟ้าในการขนส่งซึ่งเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลัก (ควบคู่กับพลังงานหมุนเวียน) สำหรับการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากยานพาหนะ^{[ 30 ]}^{[ 31 ]}ลิเธียม นิกเกิล โคบอลต์ อะลูมิเนียมออกไซด์ (NCA) เป็นเคมีลิเธียมไอออนพลังงานสูงอีกชนิดหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า^{[ 32 ]}

ประวัติศาสตร์

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนVarta , Museum Autovision , Altlussheimประเทศเยอรมนี

หนึ่งในตัวอย่างแรกสุดของการวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือCuF /แบตเตอรี่ลิเธียมถูกพัฒนาโดยNASAในปี 1965 ความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่ทำให้เกิดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรูปแบบใหม่ในยุคแรกนั้น เกิดขึ้นโดยนักเคมีชาวอังกฤษM. Stanley Whittingham ไทเทเนียมไดซัลไฟด์(TiS)เป็นครั้งแรก ) ในฐานะวัสดุแคโทด ซึ่งมีโครงสร้างเป็นชั้นๆ ที่สามารถรับไอออนลิเธียมโดยโครงสร้างผลึกเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญเอ็กซอนพยายามนำแบตเตอรี่นี้ออกสู่ตลาดในช่วงปลายทศวรรษ 1970 แต่พบว่าการสังเคราะห์มีราคาแพงและซับซ้อน เนื่องจากTiSมีความไวต่อความชื้นและปล่อยก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H) S)ก๊าซเมื่อสัมผัสกับน้ำ ยิ่งไปกว่านั้น แบตเตอรี่ยังมีแนวโน้มที่จะลุกไหม้เองได้เนื่องจากมีลิเธียมโลหะอยู่ในเซลล์ ด้วยเหตุนี้และเหตุผลอื่นๆ เอ็กซอนจึงยุติการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียม-ไทเทเนียมไดซัลไฟด์ของวิททิงแฮม^{[ 33 ]}

^{ในปี พ.ศ. 2523 Ned A. Godshall และคณะ [ 34 ]}^{[ 35 ]}^{[ 36 ]}ทำงานแยกกันและหลังจากนั้นไม่นานKoichi MizushimaและJohn B. Goodenoughได้ทดสอบวัสดุทางเลือกหลายชนิดและแทนที่TiSกับลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์(LiCoO)หรือ LCO) ซึ่งมีโครงสร้างเป็นชั้นคล้ายกัน แต่ให้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าและมีความเสถียรในอากาศมากกว่ามาก วัสดุนี้จะถูกนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์รุ่นแรกในภายหลัง แม้ว่าวัสดุนี้เพียงอย่างเดียวจะไม่สามารถแก้ไขปัญหาการติดไฟได้^{[ 33 ]}

ความพยายามในช่วงแรกในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จซ้ำได้นั้นใช้ขั้วบวกโลหะลิเธียม ซึ่งในที่สุดก็ถูกยกเลิกไปเนื่องจากความกังวลด้านความปลอดภัย เพราะโลหะลิเธียมไม่เสถียรและมีแนวโน้มที่จะเกิด การก่อตัว ของเดนไดรต์ซึ่งอาจทำให้เกิดการลัดวงจรได้วิธีแก้ปัญหาในท้ายที่สุดคือการใช้ขั้วบวกแบบแทรกสอด คล้ายกับที่ใช้สำหรับขั้วลบ ซึ่งป้องกันการก่อตัวของโลหะลิเธียมในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ ผู้ที่สาธิตการแทรกสอดของลิเธียมไอออนแบบย้อนกลับได้ในขั้วบวกกราไฟต์เป็นคนแรกคือJürgen Otto Besenhardในปี 1974 ^{[ 37 ]}^{[ 38 ]} Besenhard ใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น คาร์บอเนต อย่างไรก็ตาม ตัวทำละลายเหล่านี้สลายตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานสั้น ต่อมาในปี 1980 Rachid Yazamiใช้สารอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์แข็งโพลีเอทิลีนออกไซด์ซึ่งมีความเสถียรมากกว่า^{[ 39 ]}^{[ 40 ]}

ในปี 1985 อากิระ โยชิโนะจาก บริษัท อาซาฮี คาเซอิ ค้นพบว่าปิโตรเลียมโค้กซึ่งเป็นคาร์บอนรูปแบบกราไฟต์น้อยกว่า สามารถแทรกไอออน Li ได้อย่างย้อนกลับที่ศักยภาพต่ำประมาณ 0.5 V เมื่อเทียบกับ Li+/Li โดยไม่ทำให้โครงสร้างเสื่อมสภาพ^{[ 41 ]}ความเสถียรของโครงสร้างเกิดจาก บริเวณ คาร์บอนอสัณฐานซึ่งทำหน้าที่เป็นข้อต่อโควาเลนต์เพื่อยึดชั้นต่างๆ เข้าด้วยกัน แม้ว่าจะมีความจุต่ำกว่ากราไฟต์ (~Li0.5C6, 186 mAh g–1) แต่ก็กลายเป็นขั้วบวกแทรกไอออนเชิงพาณิชย์ตัวแรกสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเนื่องจากความเสถียรในการใช้งาน ในปี 1987 โยชิโนะได้จดสิทธิบัตรสิ่งที่จะกลายเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ตัวแรกที่ใช้ขั้วบวกนี้ เขาใช้LiCoO2 ที่ Goodenough รายงานไว้ก่อนหน้านี้ เป็นขั้วลบและ อิ โทรไลต์ที่ใช้ เอสเทอร์คาร์บอเนตแบตเตอรี่ถูกประกอบในสถานะคายประจุ ซึ่งทำให้ปลอดภัยและถูกกว่าในการผลิต ในปี พ.ศ. 2534 โซนี่ได้เริ่มผลิตและจำหน่ายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้เป็นครั้งแรกของโลกโดยใช้การออกแบบของโยชิโนะ ในปีต่อมา บริษัท ร่วมทุนระหว่างโตชิบาและอาซาฮี คาเซอิ ก็ได้ออกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเช่นกัน^{[ 33 ]}การปรับปรุงที่สำคัญในด้านความหนาแน่นของพลังงานเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ พ.ศ. 2533 โดยการแทนที่ขั้วบวกคาร์บอนอ่อนของโยชิโนะด้วยคาร์บอนแข็ง ก่อน และต่อมาด้วยกราไฟต์

ในปี พ.ศ. 2533 Jeff Dahnและเพื่อนร่วมงานอีกสองคนจากมหาวิทยาลัย Dalhousie (แคนาดา) รายงานการแทรกตัวแบบย้อนกลับได้ของลิเธียมไอออนเข้าไปในกราไฟต์โดยมี ตัวทำละลาย เอทิลีนคาร์บอเนต (ซึ่งเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้องและผสมกับตัวทำละลายอื่น ๆ เพื่อให้เป็นของเหลว) ซึ่งถือเป็นนวัตกรรมสุดท้ายของยุคที่สร้างการออกแบบพื้นฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสมัยใหม่^{[ 42 ]}

ในปี 2010 กำลังการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วโลกอยู่ที่ 20 กิกะวัตต์-ชั่วโมง^{[ 43 ]}ในปี 2016 เพิ่มขึ้นเป็น 28 กิกะวัตต์-ชั่วโมง โดย 16.4 กิกะวัตต์-ชั่วโมงอยู่ในประเทศจีน^{[ 44 ]}กำลังการผลิตทั่วโลกอยู่ที่ 767 กิกะวัตต์-ชั่วโมงในปี 2020 โดยประเทศจีนมีส่วนแบ่ง 75% ^{[ 45 ]}แหล่งข่าวต่างๆ คาดการณ์ว่าการผลิตในปี 2021 จะอยู่ระหว่าง 200 ถึง 600 กิกะวัตต์-ชั่วโมง และการคาดการณ์สำหรับปี 2023 อยู่ระหว่าง 400 ถึง 1,100 กิกะวัตต์-ชั่วโมง^{[ 46 ]}

ในปี 2012 John B. Goodenough , Rachid YazamiและAkira Yoshinoได้รับเหรียญรางวัล IEEE ประจำปี 2012 สำหรับเทคโนโลยีด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยจากการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Goodenough, Whittingham และ Yoshino ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2019 "สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน" ^{[ 47 ]} Jeff Dahnได้รับรางวัล ECS Battery Division Technology Award (2011) และรางวัล Yeager จาก International Battery Materials Association (2016)

ส่วนประกอบ

ซ้าย: แบตเตอรี่อัลคาไลน์ AA ขวา: แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 18650

แบตเตอรี่ลิ เธียมไอออนประกอบด้วยส่วนประกอบสำคัญหลายอย่าง ได้แก่ขั้วบวก ขั้วลบ ตัวคั่น ตัวเรือน สารละลายอิเล็กโทรไลต์และตัวนำกระแสไฟฟ้าสองตัว

โดยทั่วไป ขั้วลบของเซลล์ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมจะทำจากกราไฟต์ ขั้วบวกมักจะเป็นโลหะออกไซด์หรือฟอสเฟต อิเล็กโทรไลต์คือเกลือ ลิเธียม ใน ตัว ทำละลาย อินทรีย์^[⁴⁸^]ขั้วลบ (ซึ่งเป็นแอโนดเมื่อเซลล์กำลังคายประจุ) และขั้วบวก (ซึ่งเป็นแคโทดเมื่อคายประจุ) จะถูกป้องกันไม่ให้ลัดวงจรโดยตัวแยก^[⁴⁹^]ขั้วไฟฟ้าเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้าผ่านชิ้นส่วนโลหะสองชิ้นที่เรียกว่าตัวเก็บกระแส^[⁵⁰^]

เมื่อเซลล์ แบตเตอรี่ถูกชาร์จ ขั้วลบและขั้วบวกจะสลับบทบาททางเคมีไฟฟ้ากัน (แอโนดและแคโทด ) อย่างไรก็ตาม ในการอภิปรายเกี่ยวกับการออกแบบแบตเตอรี่ ขั้วลบของเซลล์แบบชาร์จได้มักถูกเรียกว่า "แอโนด" และขั้วบวกถูกเรียกว่า "แคโทด"

ในสถานะลิเธียมเต็มที่ของ LiC กราไฟต์มีความสัมพันธ์กับความจุทางทฤษฎีที่ 1339 คูลอมบ์ต่อกรัม (372 mAh/g) ^{[ 51 ]}โดยทั่วไปแล้วขั้วบวกจะเป็นวัสดุ 3 ชนิด ได้แก่ออกไซด์ แบบชั้น (เช่นลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ) โพลีแอนไอออน (เช่นลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ) หรือสปิเนล (เช่น ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ ) ^{[ 52 ]}วัสดุที่อยู่ในระหว่างการทดลองเพิ่มเติม ได้แก่ ขั้วไฟฟ้าที่มี กราฟีน เป็นส่วนประกอบ แม้ว่าวัสดุเหล่านี้ยังห่างไกลจากความสามารถในการใช้งานเชิงพาณิชย์เนื่องจากมีราคาสูง^{[ 53 ]}

ลิเธียมทำปฏิกิริยากับน้ำอย่างรุนแรงเพื่อสร้างลิเธียมไฮดรอกไซด์ (LiOH) และ ก๊าซ ไฮโดรเจนดังนั้นโดยทั่วไปจึงใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำ และภาชนะปิดผนึกจะป้องกันความชื้นจากชุดแบตเตอรี่อย่างเข้มงวด อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ใช่น้ำโดยทั่วไปจะเป็นส่วนผสมของคาร์บอเนตอินทรีย์ เช่นเอทิลีนคาร์บอเนตและโพรพิลีนคาร์บอเนตที่มีสารประกอบของไอออนลิเธียม^{[ 54 ]}เอทิลีนคาร์บอเนตมีความสำคัญต่อการสร้างชั้นเชื่อมต่ออิเล็กโทรไลต์แข็งบนขั้วบวกคาร์บอน^{[ 55 ]}แต่เนื่องจากเป็นของแข็งที่อุณหภูมิห้อง จึง ต้องเติม ตัวทำละลาย เหลว (เช่นโพรพิลีนคาร์บอเนตหรือไดเอทิลคาร์บอเนต )

เกลืออิเล็กโทรไลต์เกือบจะเป็น^{[ 56 ]}ลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟต ( LiPF ) ) ซึ่งรวมคุณสมบัติการนำไฟฟ้าไอออนเข้ากับความเสถียรทางเคมีและไฟฟ้าเคมีซา ฟลูออโรฟอสเฟต มีความสำคัญต่อการเคลือบผิว เชื่อมด้วยคลื่นอัลตราโซนิคเข้ากับตัวนำกระแสไฟฟ้าอะลูมิเนียม เกลืออื่นๆ เช่นลิเธียมเปอร์คลอเรต(LiClO) )ลิเธียมเตตระฟลูออโรโบเรต(LiBF) ) และลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรเมทานซัลโฟนิล)อิไมด์(LiC)เอฟหมายเลขเอส ) มักใช้ในการวิจัยในเซลล์เหรียญแต่ไม่สามารถใช้ในเซลล์รูปแบบขนาดใหญ่ได้^{[ 57 ]}บ่อยครั้งเนื่องจากไม่เข้ากันกับตัวเก็บกระแสอะลูมิเนียม ทองแดง (พร้อมนิกเกิล ที่เชื่อมจุด ) ถูกใช้เป็นตัวเก็บกระแสที่ขั้วลบ

การออกแบบตัวเก็บประจุและการบำบัดพื้นผิวอาจมีหลายรูปแบบ ได้แก่ ฟอยล์ ตาข่าย โฟม (ที่ปราศจากโลหะผสม) การกัด (ทั้งหมดหรือบางส่วน) และการเคลือบ (ด้วยวัสดุต่างๆ) เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้า^{[ 50 ]}

ขึ้นอยู่กับการเลือกวัสดุแรงดันไฟฟ้าความหนาแน่นของพลังงานอายุการใช้งาน และความปลอดภัยของเซลล์ลิเธียมไอออนอาจเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ความพยายามในปัจจุบันคือการสำรวจการใช้สถาปัตยกรรมใหม่โดยใช้เทคโนโลยีนาโนเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ พื้นที่ที่น่าสนใจ ได้แก่ วัสดุอิเล็กโทรดระดับนาโนและโครงสร้างอิเล็กโทรดทางเลือก^{[ 58 ]}

เคมีไฟฟ้า

สารตั้งต้นในปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าในเซลล์ลิเธียมไอออนคือวัสดุของอิเล็กโทรด ซึ่งทั้งสองเป็นสารประกอบที่มีอะตอมลิเธียม แม้ว่าจะมีการศึกษาวัสดุที่แตกต่างกันหลายพันชนิด แต่มีเพียงจำนวนน้อยมากเท่านั้นที่สามารถนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ได้ เซลล์ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ทั้งหมดใช้สารประกอบแทรกสอดเป็นวัสดุที่ใช้งาน^{[ 59 ]}อิเล็กโทรดลบมักจะเป็นกราไฟต์ แม้ว่า มักจะผสม ซิลิคอนเข้าไปเพื่อเพิ่มความจุ อิเล็กโทรไลต์มักจะเป็นลิเธียมเฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตละลายในส่วนผสมของคาร์บอเนตอินทรีย์วัสดุที่แตกต่างกันหลายชนิดถูกใช้สำหรับอิเล็กโทรดบวก เช่นLiCoO , LiFePO และลิเธียม นิกเกิล แมงกานีส โคบอลต์ออกไซด์

ในระหว่างการคายประจุของเซลล์ ขั้วลบคือแอโนด และขั้วบวกคือแคโทด: อิเล็กตรอนจะไหลจากแอโนดไปยังแคโทดผ่านวงจรภายนอกปฏิกิริยาออกซิเดชันครึ่งหนึ่งที่แอโนดจะสร้างไอออนลิเธียมที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ปฏิกิริยาออกซิเดชันครึ่งหนึ่งอาจสร้างวัสดุที่ไม่มีประจุซึ่งยังคงอยู่ที่แอโนด ไอออนลิเธียมเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวงจรภายนอกไปยังแคโทดซึ่งพวกมันจะรวมตัวกับวัสดุแคโทดในปฏิกิริยารีดักชันครึ่งหนึ่ง อิเล็กโทรไลต์ทำหน้าที่เป็นตัวกลางนำไฟฟ้าสำหรับไอออนลิเธียม แต่ไม่ได้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า ปฏิกิริยาในระหว่างการคายประจุจะลดศักย์เคมีของเซลล์ ดังนั้นการคายประจุจึงถ่ายโอนพลังงานจากเซลล์ไปยังที่ใดก็ตามที่กระแสไฟฟ้ากระจายพลังงาน ส่วนใหญ่ในวงจรภายนอก

ในระหว่างการชาร์จ ปฏิกิริยาและการเคลื่อนที่เหล่านี้จะเกิดขึ้นในทิศทางตรงกันข้าม กล่าวคือ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากขั้วบวกไปยังขั้วลบผ่านวงจรภายนอก ในการชาร์จเซลล์ วงจรภายนอกจะต้องจ่ายพลังงานไฟฟ้า พลังงานนี้จะถูกเก็บไว้ในรูปของพลังงานเคมีภายในเซลล์ (โดยมีการสูญเสียบ้าง เช่น เนื่องมาจากประสิทธิภาพคูลอมบ์ที่ต่ำกว่า 1)

ขั้วไฟฟ้าทั้งสองยอมให้ไอออนลิเธียมเคลื่อนที่เข้าและออกจากโครงสร้างได้ด้วยกระบวนการที่เรียกว่าการแทรก ( intercalation ) หรือการสกัด ( deintercalation ) ตามลำดับ

เนื่องจากไอออนลิเธียม "โยก" ไปมาระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง แบตเตอรี่เหล่านี้จึงเรียกอีกอย่างว่า "แบตเตอรี่เก้าอี้โยก" หรือ "แบตเตอรี่แกว่ง" (ซึ่งเป็นคำที่บางอุตสาหกรรมในยุโรปใช้) ^{[ 60 ]}^{[ 61 ]}

สมการต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงปฏิกิริยาทางเคมี (จากซ้ายไปขวา: การคายประจุ, จากขวาไปซ้าย: การชาร์จประจุ)

ปฏิกิริยาครึ่งขั้วลบสำหรับกราไฟต์คือ^{[ 62 ]}^{[ 63 ]}

{\ce {LiC6 <=> C6 + Li+ + e^-}}

ปฏิกิริยาครึ่งเซลล์ของขั้วบวกในสารตั้งต้นโคบอลต์ออกไซด์ที่เจือด้วยลิเธียมคือ

{\ce {CoO2 + Li+ + e- <=> LiCoO2}}

ปฏิกิริยาทั้งหมดคือ

{\ce {LiC6 + CoO2 <=> C6 + LiCoO2}}

ปฏิกิริยาโดยรวมมีข้อจำกัด การคายประจุมากเกินไปทำให้ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์อิ่มตัว ส่งผล^{ให้เกิดการผลิตลิเธียมออกไซด์ [} 64 ] ซึ่งอาจ^เกิด^จากปฏิกิริยาที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ดังต่อไปนี้:

{\ce {Li+ + e^- + LiCoO2 -> Li2O + CoO}}

การชาร์จไฟเกินถึง 5.2 โวลต์จะนำไปสู่การสังเคราะห์โคบอลต์ (IV) ออกไซด์ ดังที่พิสูจน์ได้จากการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ : ^[⁶⁵^]

{\ce {LiCoO2 -> Li+ + CoO2 + e^-}}

พลังงานของเซลล์เท่ากับแรงดันไฟฟ้าคูณด้วยประจุ ลิเธียมแต่ละกรัมมีค่าเท่ากับค่าคงที่ของฟาราเดย์ 6.941 หรือ 13,901 คูลอมบ์ ที่แรงดันไฟฟ้า 3 โวลต์ จะให้พลังงาน 41.7 กิโลจูลต่อกรัมของลิเธียม หรือ 11.6 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของลิเธียม ซึ่งมากกว่าความร้อนจากการเผาไหม้ของน้ำมันเบนซิน เล็กน้อย อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยรวมยังคงมีน้ำหนักมากกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับหน่วยพลังงาน เนื่องจากวัสดุเพิ่มเติมที่ใช้ในการผลิต

โปรดทราบว่าแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยาเหล่านี้มีค่ามากกว่าศักยภาพที่สารละลายในน้ำจะเกิดการอิเล็กโทรไลซิส

การชาร์จและการคายประจุ

ระหว่างการคายประจุ ไอออนลิเธียม ( Li ⁺⁾) นำกระแสไฟฟ้าภายในเซลล์แบตเตอรี่จากขั้วลบไปยังขั้วบวก ผ่านอิเล็กโทรไลต์ ที่ไม่ใช่ น้ำ และไดอะแฟรมตัวแยก^[⁶⁶^]

ในระหว่างการชาร์จ แหล่งจ่ายไฟฟ้าภายนอกจะจ่ายแรงดันเกิน (แรงดันที่มากกว่าแรงดันของเซลล์เอง) ให้กับเซลล์ ทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ไอออนลิเธียมก็จะเคลื่อนที่ (ผ่านอิเล็กโทรไลต์) จากขั้วบวกไปยังขั้วลบเช่นกัน โดยจะฝังตัวอยู่ในวัสดุอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนในกระบวนการที่เรียกว่าการแทรกตัว (intercalation)

การชาร์จแบบกระแสคงที่แรงดันคงที่

การชาร์จแบบ กระแส คงที่แรงดัน คงที่ (CC/CV) เป็นวิธีการมาตรฐานที่ใช้ในการชาร์จเซลล์ลิเธียมไอออน ในช่วงเฟสกระแสคงที่ เครื่องชาร์จจะจ่ายกระแสคงที่ให้กับแบตเตอรี่ด้วยแรงดันที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เมื่อถึงแรงดันการชาร์จสูงสุด เครื่องชาร์จจะเปลี่ยนเป็นเฟสแรงดันคงที่ ซึ่งแรงดันจะคงที่และกระแสจะค่อยๆ ลดลง จนกว่าจะถึงเกณฑ์กระแสต่ำสุด^{[ 67 ]}^{[ 68 ]}

หากแรงดันเริ่มต้นของเซลล์ต่ำเกินไป มักจะใช้กระแสชาร์จที่ต่ำมากจนกว่าแรงดันจะถึงระดับที่ปลอดภัย ซึ่งบางครั้งเรียกว่าการชาร์จแบบหยด^{[ 69 ]}

ในการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ต่ออนุกรมมักจะต้องทำการปรับสมดุลด้านบน ด้วยเช่นกัน

ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัย

การไม่ปฏิบัติตามข้อจำกัดของกระแสและแรงดันไฟฟ้าอาจส่งผลให้เกิดความร้อนคูลอมบ์มากเกินไปในแบตเตอรี่ และในกรณีที่ชาร์จเกินแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าที่ออกแบบไว้ อาจนำไปสู่การระเบิดได้^{[ 70 ]}^{[ 71 ]}

ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิในการชาร์จสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นเข้มงวดกว่าข้อจำกัดในการใช้งาน เคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานได้ดีที่อุณหภูมิสูง แต่การสัมผัสกับความร้อนเป็นเวลานานจะลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีประสิทธิภาพการชาร์จที่ดีที่อุณหภูมิที่ต่ำกว่า และอาจอนุญาตให้ "ชาร์จเร็ว" ได้ภายในช่วงอุณหภูมิ5 ถึง 45 °C (41 ถึง 113 °F) ^[⁷²^]ควรทำการชาร์จภายในช่วงอุณหภูมินี้ ที่อุณหภูมิ 0 ถึง 5 °C สามารถชาร์จได้ แต่ควรลดกระแสไฟชาร์จลง ในระหว่างการชาร์จที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 0 °C) อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเหนืออุณหภูมิแวดล้อมเนื่องจากความต้านทานภายในของเซลล์นั้นเป็นประโยชน์ อุณหภูมิสูงในระหว่างการชาร์จอาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ และการชาร์จที่อุณหภูมิสูงกว่า 45 °C จะทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง ในขณะที่ที่อุณหภูมิต่ำกว่า ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่อาจเพิ่มขึ้น ส่งผลให้การชาร์จช้าลงและใช้เวลานานขึ้น^[⁷²^]

การปล่อยตัวด้วยตนเอง

แบตเตอรี่จะค่อยๆ คายประจุเองแม้ว่าจะไม่ได้เชื่อมต่อและจ่ายกระแสไฟฟ้าก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จได้จะมี อัตรา การคายประจุเองตามที่ผู้ผลิตระบุไว้โดยทั่วไปอยู่ที่ 1.5–2% ต่อเดือน^{[ 73 ]}^{[ 74 ]}

อัตราการคายประจุจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและสถานะการชาร์จ การศึกษาในปี 2547 พบว่าสำหรับสภาวะการใช้งานส่วนใหญ่ การคายประจุเองจะขึ้นอยู่กับเวลาเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม หลังจากปล่อยทิ้งไว้หลายเดือนโดยวงจรเปิดหรือการชาร์จแบบลอยตัว การสูญเสียที่ขึ้นอยู่กับสถานะการชาร์จจะมีความสำคัญมากขึ้น อัตราการคายประจุเองไม่ได้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องตามสถานะการชาร์จ แต่ลดลงเล็กน้อยในสถานะการชาร์จระดับกลาง^{[ 75 ]}อัตราการคายประจุเองอาจเพิ่มขึ้นเมื่อแบตเตอรี่มีอายุมากขึ้น^{[ 76 ]}ในปี 2542 มีการวัดอัตราการคายประจุเองต่อเดือนที่ 8% ที่ 21 °C, 15% ที่ 40 °C และ 31% ที่ 60 °C ^{[ 77 ]}ในปี 2550 มีการประมาณอัตราการคายประจุเองต่อเดือนที่ 2% ถึง 3% และ 2 ^{[ 10 ]} –3% ในปี 2559 ^{[ 78 ]}

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว อัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ NiMHลดลงในปี 2017 จากสูงสุด 30% ต่อเดือนสำหรับเซลล์ทั่วไปก่อนหน้านี้ เหลือเพียงประมาณ 0.08–0.33% ต่อเดือนสำหรับ แบตเตอรี่ NiMH ที่มีการคายประจุเองต่ำและประมาณ 10% ต่อเดือนในแบตเตอรี่ NiCd ^{[ 79 ]}

การออกแบบและรูปแบบของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจมีโครงสร้างหลายระดับ แบตเตอรี่ขนาดเล็กประกอบด้วยเซลล์แบตเตอรี่เพียงเซลล์เดียว แบตเตอรี่ขนาดใหญ่จะเชื่อมต่อเซลล์แบบขนานเข้าด้วยกันเป็นโมดูล และเชื่อมต่อโมดูลแบบอนุกรมและขนานเข้าด้วยกันเป็นแพ็ค สามารถเชื่อมต่อแพ็คหลายแพ็คแบบอนุกรมเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าได้^{[ 80 ]}

แบตเตอรี่อาจมีเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ ระบบทำความร้อน/ทำความเย็นวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้า ตัวแยกแรงดันไฟฟ้าและตัวตรวจสอบสถานะการชาร์จ ส่วนประกอบเหล่านี้ช่วยจัดการกับความเสี่ยงด้านความปลอดภัย เช่น ความร้อนสูงเกินไปและการลัดวงจร^{[ 81 ]}

ชั้นอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์

ในระดับโครงสร้างมหภาค (ขนาดความยาว 0.1–5 มม.) แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดประกอบด้วยตัวนำกระแสไฟฟ้าแบบฟอยล์ (อะลูมิเนียมสำหรับแคโทดและทองแดงสำหรับแอโนด) เลือกใช้ทองแดงสำหรับแอโนดเพราะลิเธียมไม่เกิดโลหะผสมกับทองแดง ส่วนอะลูมิเนียมใช้สำหรับแคโทดเพราะสามารถเกิดการสร้างชั้นฟิล์มป้องกันในอิเล็กโทรไลต์

เซลล์

เซลล์ Li-ion มีจำหน่ายในรูปแบบต่างๆ ซึ่งโดยทั่วไปสามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภท: ^{[ 82 ]}

แบตเตอรี่แบบเหรียญมีดีไซน์ที่ทนทานด้วยตัวเรือนโลหะ (โดยทั่วไปคือสแตนเลส) เนื่องจากมีพลังงานจำเพาะ ต่ำ (ในหน่วย Wh/kg) และพลังงาน (Wh) ต่อเซลล์น้อย การใช้งานจึงจำกัดอยู่เพียงนาฬิกาข้อมือ เครื่องคิดเลขพกพาและงานวิจัย ที่น่าสังเกตคือ แบตเตอรี่แบบเหรียญมักใช้กับแบตเตอรี่ลิเธียมโลหะ แบบปฐมภูมิมากกว่า
แบตเตอรี่ทรงกระบอกขนาดเล็ก (ตัวแบตเตอรี่เป็นแบบทึบ ไม่มีขั้วต่อ เช่นเดียวกับที่ใช้ในแบตเตอรี่จักรยานไฟฟ้า รถยนต์ไฟฟ้า และแบตเตอรี่แล็ ปท็อปรุ่นเก่าส่วนใหญ่) โดยทั่วไปจะมีขนาดมาตรฐาน
ทรงกระบอกขนาดใหญ่ (ตัวเรือนแข็ง มีขั้วต่อแบบเกลียวขนาดใหญ่)
แบบแบนหรือแบบซอง (ตัวแบนและนุ่ม เช่นที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือและแล็ปท็อปรุ่นใหม่ ซึ่งก็คือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโพลีเมอร์^{[ 83 ]}
ตัวเรือนพลาสติกแข็งพร้อมขั้วต่อแบบเกลียวขนาดใหญ่ (เช่น ชุดแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า)

เซลล์แบตเตอรี่ทรงกระบอกผลิตขึ้นด้วยวิธีการแบบ " ม้วนสวิส " (หรือที่รู้จักกันในสหรัฐอเมริกาว่า "เจลลี่โรล") ซึ่งหมายความว่าเป็นการนำขั้วบวก แผ่นกั้น ขั้วลบ และแผ่นกั้นมาม้วนรวมกันเป็นม้วนยาวเพียงม้วนเดียว จากนั้นจึงบรรจุลงในภาชนะ ข้อดีอย่างหนึ่งของเซลล์ทรงกระบอกคือความเร็วในการผลิตที่สูงกว่า ข้อเสียอย่างหนึ่งคืออาจเกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในแนวรัศมีอย่างมากเมื่ออัตราการคายประจุสูง

การไม่มีเคสทำให้เซลล์แบบถุงมีพลังงานความหนาแน่นเชิงน้ำหนักสูงสุด อย่างไรก็ตาม การใช้งานหลายอย่างจำเป็นต้องมีการกักเก็บเพื่อป้องกันการขยายตัวเมื่อ ระดับ สถานะการชาร์จ (SOC) สูง^{[ 84 ]}และเพื่อความเสถียรของโครงสร้างโดยทั่วไป ทั้งเซลล์พลาสติกแข็งและเซลล์แบบถุงบางครั้งเรียกว่า เซลล์ ปริซึมเนื่องจากมีรูปร่างเป็นสี่เหลี่ยมผืนผ้า^{[ 85 ]}แบตเตอรี่พื้นฐานสามประเภทถูกใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าในยุค 2020 ได้แก่ เซลล์ทรงกระบอก (เช่น Tesla) เซลล์แบบถุงปริซึม (เช่น จากLG ) และเซลล์แบบกระป๋องปริซึม (เช่น จาก LG, Samsung , Panasonicและอื่นๆ) ^[²⁸^]

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบไหลได้รับการสาธิตให้สามารถแขวนวัสดุแคโทดหรือแอโนดไว้ในสารละลายน้ำหรือสารละลายอินทรีย์ได้^{[ 86 ]}^{[ 87 ]}

ณ ปี 2014 เซลล์ Li-ion ที่เล็กที่สุดมี รูปร่าง คล้ายเข็มหมุดมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.5 มม. และน้ำหนัก 0.6 กรัม ผลิตโดยPanasonic [ ^{88 ] เซลล์}มีรูปแบบเซลล์แบบเหรียญซึ่งโดยทั่วไปจะมีคำนำหน้าว่า "LiR" ^[⁸⁹^]^[⁹⁰^]

ชั้นอิเล็กโทรด

แรงดันไฟฟ้าของเซลล์

แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยของเคมี LCO (ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์) คือ 3.6 V หากทำด้วยแอโนดคาร์บอนแข็ง และ 3.7 V หากทำด้วยแอโนดกราไฟต์ เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว แบบหลังมีเส้นโค้งแรงดันไฟฟ้าการคายประจุที่ราบเรียบกว่า^{[ 91 ]}^{: 25–26}

การใช้งาน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกนำไปใช้งานหลากหลายประเภท รวมถึง อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคของเล่น เครื่องมือไฟฟ้า ยานยนต์ไฟฟ้า^{[ 93 ]}และพลังงานสำรองในการใช้งานด้านโทรคมนาคม นอกจากนี้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังใช้สำหรับ การจัด เก็บพลังงานในระบบโครงข่าย ไฟฟ้าอีกด้วย ^{[ 92 ]}^{[ 94 ]}

เรือดำน้ำบางลำยังติดตั้งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอีกด้วย^{[ 95 ]}^{[ 96 ]}

ผลงาน

เนื่องจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถใช้วัสดุขั้วบวกและขั้วลบได้หลากหลายชนิด ดังนั้นความหนาแน่นของพลังงานและแรงดันไฟฟ้าจึงแตกต่างกันไปตามนั้น

แรงดันไฟฟ้าวงเปิดสูงกว่าในแบตเตอรี่แบบใช้น้ำ (เช่นตะกั่ว-กรด นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์และนิกเกิล-แคดเมียม ) ^{[ 79 ]}ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นทั้งจากการใช้งานและอายุ^{[ 101 ]}แม้ว่าสิ่งนี้จะขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่แบตเตอรี่ถูกเก็บไว้อย่างมากก็ตาม^{[ 102 ]}ความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้นทำให้แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วลดลงภายใต้ภาระ ซึ่งจะลดกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่ดึงได้ ในที่สุด ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นจะทำให้แบตเตอรี่อยู่ในสภาพที่ไม่สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าที่คายประจุตามปกติได้อีกต่อไปโดยไม่เกิดการลดลงของแรงดันไฟฟ้าที่ไม่สามารถยอมรับได้หรือความร้อนสูงเกินไป

แบตเตอรี่ที่มีขั้วบวกเป็นลิเธียมเหล็กฟอสเฟตและขั้วลบเป็นกราไฟต์จะมีแรงดันไฟฟ้าวงเปิดปกติที่ 3.2 โวลต์ และแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จโดยทั่วไปที่ 3.6 โวลต์ ส่วนแบตเตอรี่ลิเธียมนิกเกิลแมงกานีสโคบอลต์ออกไซด์ (NMC) ที่มีขั้วบวกเป็นกราไฟต์จะมี แรงดันไฟฟ้าปกติที่ 3.7 โวลต์ และ แรงดันไฟฟ้าสูงสุดขณะชาร์จที่ 4.2 โวลต์ กระบวนการชาร์จจะดำเนินการที่แรงดันไฟฟ้าคงที่โดยใช้วงจรจำกัดกระแส (เช่น ชาร์จด้วยกระแสคงที่จนกว่าแรงดันไฟฟ้า ในเซลล์จะถึง 4.2 โวลต์ และดำเนินการชาร์จต่อไปด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่จนกว่ากระแสจะลดลงใกล้ศูนย์) โดยทั่วไป การชาร์จจะหยุดที่ 3% ของกระแสการชาร์จเริ่มต้น ในอดีต แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่สามารถชาร์จเร็วได้และต้องใช้เวลาอย่างน้อยสองชั่วโมงในการชาร์จจนเต็ม แต่แบตเตอรี่รุ่นปัจจุบันสามารถชาร์จจนเต็มได้ภายใน 45 นาทีหรือน้อยกว่านั้น ในปี 2015 นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่า แบตเตอรี่ขนาดเล็กความจุ 600 mAh สามารถชาร์จได้ถึง 68 เปอร์เซ็นต์ในสองนาที และแบตเตอรี่ขนาด 3,000 mAh สามารถชาร์จได้ถึง 48 เปอร์เซ็นต์ในห้านาที แบตเตอรี่ชนิดหลังมีความหนาแน่นพลังงาน 620 W·h/L อุปกรณ์ดังกล่าวใช้อะตอมต่างชนิดที่เชื่อมต่อกับโมเลกุลกราไฟต์ในขั้วบวก^{[ 103 ]}

ข้อมูลจากเทคนิคการไทเทรตแบบไม่ต่อเนื่องด้วยกระแสคงที่ (Galvanostatic Intermittent Titration Technique: GITT) ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาด AAA (10440)

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ที่ผลิตขึ้นนั้นดีขึ้นเรื่อยๆ ตัวอย่างเช่น ตั้งแต่ปี 1991 ถึง 2005 ความจุพลังงานต่อราคาของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนดีขึ้นกว่าสิบเท่า จาก 0.3 วัตต์-ชั่วโมงต่อดอลลาร์ เป็นมากกว่า 3 วัตต์-ชั่วโมงต่อดอลลาร์^{[ 104 ]}ในช่วงปี 2011 ถึง 2017 ความก้าวหน้าเฉลี่ยอยู่ที่ 7.5% ต่อปี^{[ 105 ]} โดยรวมแล้ว ระหว่างปี 1991 ถึง 2024 ราคาของเซลล์ลิเธียมไอออนทุกประเภท (ในหน่วยดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง) ลดลงประมาณ 99% ^{[ 100 ]}ตั้งแต่ปี 1991 ถึง 2018 ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้นมากกว่าสามเท่า^{[ 106 ]}ความพยายามในการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานมีส่วนสำคัญในการลดต้นทุน^{[ 107 ]}ความหนาแน่นของพลังงานยังสามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยการปรับปรุงเคมีของเซลล์ เช่น การแทนที่กราไฟต์ทั้งหมดหรือบางส่วนด้วยซิลิคอน ขั้วบวกซิลิคอนที่เสริมด้วยนาโนทิวบ์กราฟีนเพื่อขจัดปัญหาการเสื่อมสภาพก่อนกำหนดของซิลิคอน ช่วยให้ได้ความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่ที่ทำลายสถิติสูงถึง 350 Wh/kg และลดราคารถยนต์ไฟฟ้าให้สามารถแข่งขันกับรถยนต์เครื่องยนต์สันดาปภายในได้^{[ 108 ]}

เซลล์ที่มีขนาดต่างกันแต่มีรูปแบบ (รูปร่าง) เดียวกันและมีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกัน อาจมีความหนาแน่นของพลังงานต่างกันได้เซลล์แบบม้วนเจลลี่มักมีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าเซลล์แบบเหรียญหรือแบบปริซึมที่มี Ah เท่ากัน เนื่องจากการบรรจุชั้นเซลล์ที่แน่นกว่า/อัดแน่นกว่า ในบรรดาเซลล์ทรงกระบอก เซลล์ที่มีขนาดใหญ่กว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงาน สูงกว่า แม้ว่าค่าที่แน่นอนจะขึ้นอยู่กับความหนาของชั้นอิเล็กโทรดอย่างมากก็ตาม ข้อเสียของเซลล์ขนาดใหญ่คือการถ่ายเทความร้อนจากเซลล์ไปยังสิ่งแวดล้อมลดลง^{[ 99 ]}

ประสิทธิภาพการเดินทางไปกลับ

ตารางด้านล่างแสดงผลการประเมินเชิงทดลองของ เซลล์ NMC 18650 ชนิด "พลังงานสูง" ขนาด 3.0 Ah ในปี 2021 ประสิทธิภาพแบบรอบการเดินทาง ซึ่งเปรียบเทียบพลังงานที่เข้าสู่เซลล์และพลังงานที่ดึงออกจากเซลล์จากระดับประจุ 100% (4.2v) ไปจนถึงระดับประจุ 0% (ตัดที่ 2.0v) ประสิทธิภาพแบบรอบการเดินทางคือเปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่สามารถใช้งานได้เมื่อเทียบกับพลังงานที่ใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่^{[ 109 ]}


อัตราซี	ประสิทธิภาพ	ประสิทธิภาพการชาร์จโดยประมาณ	ประสิทธิภาพการปล่อยโดยประมาณ
0.2	86%	93%	92%
0.4	82%	92%	90%
0.6	81%	91%	89%
0.8	77%	90%	86%
1.0	75%	89%	85%
1.2	73%	89%	83%

การวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของเซลล์ในการทดลองอื่นในปี 2017 รายงานประสิทธิภาพการเดินทางไปกลับ 85.5% ที่ 2C และ 97.6% ที่ 0.1C ^{[ 110 ]}

อายุขัย

รายการข่าวเกี่ยวกับการอันตรายจากไฟไหม้แบตเตอรี่ลิเธียม

โดยทั่วไปแล้ว อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกกำหนดเป็นจำนวนรอบการชาร์จและการคายประจุจนครบสมบูรณ์จนถึงเกณฑ์ความล้มเหลวในแง่ของการสูญเสียความจุหรือการเพิ่มขึ้นของอิมพีแดนซ์ ผู้ผลิตมักจะระบุอายุการใช้งานเป็นจำนวนรอบจนกว่าความจุจะลดลงเหลือ 80% ของค่าที่กำหนด^{[ 111 ]}การเก็บรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในสถานะที่ชาร์จไว้จะลดความจุและเพิ่มความต้านทานของเซลล์ (ส่วนใหญ่เกิดจากการเติบโตอย่างต่อเนื่องของส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์แข็งบนขั้วบวก) อายุการใช้งานตามปฏิทินอธิบายถึงการเสื่อมสภาพระหว่างการจัดเก็บและการใช้งาน อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้รับผลกระทบจากปัจจัยความเครียดต่างๆ มากมาย รวมถึงอุณหภูมิ กระแสการคายประจุ กระแสการชาร์จ และช่วงสถานะการชาร์จ (ความลึกของการคายประจุ) ^{[ 112 ]}^{[ 113 ]}เนื่องจากแบตเตอรี่ในการใช้งานจริงมักจะถูกชาร์จและคายประจุเพียงบางส่วนเท่านั้น นักวิจัยบางครั้งจึงใช้การคายประจุสะสม^{[ 112 ]}หรือรอบเต็มเทียบเท่า^{[ 113 ]}ซึ่งรวมรอบบางส่วนเข้าเป็นจำนวนรอบการชาร์จและการคายประจุเต็มเทียบเท่า แบตเตอรี่ที่เก็บไว้ในอุณหภูมิสูงหรือในสถานะประจุสูงมักจะสูญเสียความจุได้เร็วกว่า^{[ 114 ]}

ตลอดอายุการใช้งาน แบตเตอรี่จะค่อยๆ เสื่อมสภาพลง ทำให้ความจุในการชาร์จไฟ (หรือความจุ Ah) ลดลง และความต้านทานเพิ่มขึ้น (ซึ่งส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ขณะทำงานลดลง) ^{[ 115 ]}

กระบวนการเสื่อมสภาพหลายอย่างเกิดขึ้น บางอย่างเกิดขึ้นระหว่างการใช้งาน บางอย่างเกิดขึ้นระหว่างการจัดเก็บ และบางอย่างเกิดขึ้นตลอดเวลา: ^{[ 116 ]}^{[ 117 ]}^{[ 115 ]}การเสื่อมสภาพขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมาก: การเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิห้องมีน้อยมาก แต่จะเพิ่มขึ้นสำหรับแบตเตอรี่ที่จัดเก็บหรือใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง (โดยปกติ > 35 °C) หรืออุณหภูมิต่ำ (โดยปกติ < 5 °C) ^{[ 118 ]}^{[ 119 ]}นอกจากนี้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิห้องจะสูงสุด ระดับการชาร์จที่สูงยังเร่งการสูญเสียความจุ อีกด้วย ^{[ 120 ]}การชาร์จบ่อยครั้งจนเกิน 90% และการคายประจุจนต่ำกว่า 10% อาจเร่งการสูญเสียความจุการรักษาสถานะแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไว้ที่ประมาณ 60% ถึง 80% สามารถลดการสูญเสียความจุได้^[¹²¹^]^[¹²²^]

ในการศึกษา นักวิทยาศาสตร์ได้นำเสนอการสร้างภาพ 3 มิติและการวิเคราะห์แบบจำลองเพื่อเปิดเผยสาเหตุหลัก กลไก และแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้ของการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ที่เกิดขึ้นระหว่างรอบการชาร์จพวกเขาพบว่า "[การแตกร้าวของอนุภาคที่เพิ่มขึ้นและการสูญเสียการสัมผัสระหว่างอนุภาคและโดเมนคาร์บอน-สารยึดเกาะมีความสัมพันธ์กับการเสื่อมสภาพของเซลล์]" และระบุว่า "ความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของปฏิกิริยาภายในแคโทดหนาที่เกิดจากการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนที่ไม่สมดุลเป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ระหว่างรอบ" ^{[ 123 ]}^{[ 124 ]}

กลไกการเสื่อมสภาพที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่: ^{[ 125 ]}

การลดลงของอิเล็กโทรไลต์คาร์บอเนตอินทรีย์ที่ขั้วบวก ส่งผลให้เกิดการเติบโตของชั้นอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ซึ่ง ไอออน Li ⁺จะถูกดักจับอย่างถาวร กล่าวคือ การสูญเสียปริมาณลิเธียม สิ่งนี้แสดงให้เห็นได้จากการเพิ่มขึ้นของความต้านทานโอห์มิกของขั้วลบและการลดลงของความจุประจุ Ah ที่ใช้งานได้ ที่อุณหภูมิคงที่ ความหนาของฟิล์ม SEI (และดังนั้น ความต้านทานของ SEI และการสูญเสียLi ⁺ ที่ใช้งานได้ ) จะเพิ่มขึ้นตามรากที่สองของเวลาที่ใช้ในสถานะชาร์จ จำนวนรอบการใช้งานไม่ใช่ตัวชี้วัดที่มีประโยชน์ในการระบุลักษณะการเสื่อมสภาพนี้ ภายใต้อุณหภูมิสูงหรือในกรณีที่มีความเสียหายทางกล การลดลงของอิเล็กโทรไลต์อาจเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและรุนแรง
การเกิดคราบโลหะลิเธียมยังส่งผลให้ปริมาณลิเธียม (ความจุประจุ Ah ที่ใช้งานได้) ลดลง รวมถึงการลัดวงจรภายในและการเกิดประกายไฟในแบตเตอรี่ เมื่อเกิดคราบลิเธียมขึ้นในระหว่างการใช้งาน จะส่งผลให้ความจุลดลงอย่างรวดเร็วต่อรอบ และความต้านทานเพิ่มขึ้นต่อรอบ กลไกการเสื่อมสภาพนี้จะเด่นชัดมากขึ้นในระหว่างการชาร์จเร็วและอุณหภูมิต่ำ
การสูญเสียวัสดุที่ไวต่อปฏิกิริยาไฟฟ้า (ทั้งด้านลบและด้านบวก) เนื่องจากการละลาย (เช่น สารประกอบ Mn ³⁺ ) การแต cracking การหลุดลอก การแยกตัว หรือแม้แต่การเปลี่ยนแปลงปริมาตรตามปกติระหว่างการใช้งาน จะปรากฏให้เห็นในรูปของการลดลงของทั้งประจุและกำลังไฟฟ้า (ความต้านทานเพิ่มขึ้น) วัสดุขั้วบวกและขั้วลบต่างก็เสี่ยงต่อการแตกหักเนื่องจากความเครียดเชิงปริมาตรจากการใช้งานลิเธียมซ้ำๆ หลายรอบ
การเสื่อมสภาพทางโครงสร้างของวัสดุแคโทด เช่น การผสมกันของแคตไอออน Li ⁺ /Ni2 ⁺ในวัสดุที่มีนิกเกลสูง ซึ่งแสดงออกมาในรูปของ "การอิ่มตัวของอิเล็กโทรด" การสูญเสียความจุประจุ Ah ที่สามารถใช้งานได้ และ "แรงดันไฟฟ้าลดลง"
การเสื่อมสภาพของวัสดุอื่นๆ ตัวนำกระแสไฟฟ้าทองแดงด้านลบมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อน/ละลายได้ง่ายเป็นพิเศษที่แรงดันไฟฟ้าเซลล์ต่ำ สารยึดเกาะ PVDF ก็เสื่อมสภาพเช่นกัน ทำให้วัสดุที่ออกฤทธิ์ทางไฟฟ้าหลุดออก และสูญเสียความจุประจุ Ah ที่สามารถใช้งานได้

ภาพรวมของความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยความเครียดจากการใช้งาน (สาเหตุของการเสื่อมสภาพ) กลไกการเสื่อมสภาพ รูปแบบการเสื่อมสภาพ และผลกระทบต่อการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

สิ่งเหล่านี้แสดงอยู่ในรูปทางด้านขวา การเปลี่ยนแปลงจากกลไกการเสื่อมสภาพหลักหนึ่งไปเป็นอีกกลไกหนึ่งจะปรากฏเป็นข้อพับ (การเปลี่ยนแปลงความชัน) ในกราฟความจุเทียบกับจำนวนรอบ^{[ 125 ]}

การศึกษาส่วนใหญ่เกี่ยวกับการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ดำเนินการที่ อุณหภูมิสูง (50–60 °C) เพื่อเร่งการเสื่อมสภาพภายใต้สภาวะการจัดเก็บเหล่านี้ เซลล์นิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียมและลิเธียม-เหล็กฟอสเฟตที่ชาร์จเต็มแล้วจะสูญเสียประจุที่สามารถใช้งานได้ประมาณ 20% ใน 1–2 ปี เชื่อกันว่าการเสื่อมสภาพของขั้วบวกดังกล่าวเป็นเส้นทางการเสื่อมสภาพที่สำคัญที่สุดในกรณีเหล่านี้ ในทางกลับกัน ขั้วแคโทดที่ใช้แมงกานีสแสดงการเสื่อมสภาพที่เร็วกว่า (ประมาณ 20–50%) ภายใต้สภาวะเหล่านี้ อาจเนื่องมาจากกลไกเพิ่มเติมของการละลายของไอออน Mn ^{[ 117 ]}ที่ 25 °C การเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนดูเหมือนจะดำเนินไปตามเส้นทางเดียวกันกับการเสื่อมสภาพที่ 50 °C แต่มีความเร็วเป็นครึ่งหนึ่ง^{[ 117 ]}กล่าวอีกนัยหนึ่ง จากข้อมูลการทดลองที่คาดการณ์อย่างจำกัด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคาดว่าจะสูญเสียประจุที่สามารถใช้งานได้ประมาณ 20% อย่างถาวรใน 3–5 ปี หรือ 1000–2000 รอบ ที่อุณหภูมิ 25 °C ^{[ 125 ]}แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีแอโนดไททาเนตจะไม่ประสบปัญหาการเติบโตของ SEI และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า (>5000 รอบ) เมื่อเทียบกับแอโนดกราไฟต์ อย่างไรก็ตาม ในเซลล์ที่สมบูรณ์ กลไกการเสื่อมสภาพอื่นๆ (เช่น การละลายของMn ³⁺และการแลกเปลี่ยนตำแหน่งของNi ²⁺ /Li ⁺การสลายตัวของสารยึดเกาะ PVDF และการหลุดลอกของอนุภาค) จะปรากฏขึ้นหลังจาก 1000–2000 วัน และการใช้แอโนดไททาเนตไม่ได้ช่วยปรับปรุงความทนทานของเซลล์โดยรวมในทางปฏิบัติ

คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพ

คำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับกลไกบางส่วนเหล่านี้มีดังต่อไปนี้:

ชั้น SEI ที่เป็นลบ (แอโนด) ซึ่งเป็นชั้นเคลือบป้องกันที่เกิดจากผลิตภัณฑ์รีดิวซ์ ของอิเล็กโทรไลต์ (เช่น เอทิลีนคาร์บอเนตไดเมทิลคาร์บอเนตแต่ไม่ใช่โพรพิลีนคาร์บอเนต ) มีความสำคัญต่อการนำไฟฟ้าของไอออน Li ⁺ในขณะที่ป้องกันการถ่ายโอนอิเล็กตรอน (และด้วยเหตุนี้จึงป้องกันการลดตัวทำละลายเพิ่มเติม) ภายใต้สภาวะการทำงานปกติ ชั้น SEI ที่เป็นลบจะมีความหนาคงที่หลังจากการชาร์จครั้งแรกๆ (รอบการก่อตัว) ทำให้สามารถใช้งานได้นานหลายปี อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูงขึ้นหรือเนื่องจากการหลุดออกทางกลของ SEI ที่เป็นลบ การลดอิเล็กโทรไลต์ แบบคาย ความร้อนนี้ สามารถเกิดขึ้นอย่างรุนแรงและนำไปสู่การระเบิดผ่านปฏิกิริยาหลายอย่าง^{[ 116 ]}แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีแนวโน้มที่จะสูญเสียความจุหลังจากใช้งานไปหลายร้อย^{[ 126 ]}ถึงหลายพันรอบ การก่อตัวของ SEI จะใช้ไอออนลิเธียม ลดประสิทธิภาพการชาร์จและการคายประจุโดยรวมของวัสดุอิเล็กโทรด^{[ 127 ]}ในฐานะผลิตภัณฑ์จากการสลายตัว สารเติมแต่งที่ก่อตัวเป็น SEI ต่างๆ สามารถเติมลงในอิเล็กโทรไลต์เพื่อส่งเสริมการก่อตัวของ SEI ที่เสถียรยิ่งขึ้นซึ่งยังคงเลือกให้ไอออนลิเธียมผ่านไปได้ในขณะที่ปิดกั้นอิเล็กตรอน^{[ 128 ]} การชาร์จเซลล์ที่อุณหภูมิสูงหรือด้วยอัตราเร็วสูงสามารถส่งเสริมการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากการเสื่อมสภาพของ SEI หรือการเคลือบลิเธียม^{[ 129 ]}การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเกิน 80% สามารถเร่งการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก^{[ 130 ]}^{[ 131 ]}^[¹³²^]^[¹³³^] ขึ้นอยู่กับอิเล็กโทรไลต์และสารเติมแต่ง^[¹³⁴^]ส่วนประกอบทั่วไปของชั้น SEI ที่ก่อตัวบนขั้วบวก ได้แก่ ส่วนผสมของลิเธียมออกไซด์ลิเธียมฟลูออไรด์ และเซมิคาร์บอเนต (เช่น ลิเธียมอัลคิลคาร์บอเนต) ที่อุณหภูมิสูง อัล ^คิลคาร์บอเนตในอิเล็กโทรไลต์จะสลายตัวเป็นสารที่ไม่ละลายน้ำ เช่นLi CO ที่ทำให้ความหนาของฟิล์มเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความต้านทานของเซลล์เพิ่มขึ้นและลดความจุในการหมุนเวียน^{[ 119 ]}ก๊าซที่เกิดจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์สามารถเพิ่มความดันภายในเซลล์และเป็นปัญหาด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ต้องการความทนทานสูง เช่น อุปกรณ์พกพา^{[ 116 ]} ที่อุณหภูมิ ต่ำกว่า 25 °C การเคลือบลิเธียมโลหะบนขั้วบวกและปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นกับอิเล็กโทรไลต์จะนำไปสู่การสูญเสียลิเธียมที่สามารถหมุนเวียนได้^{[ 119 ]}การเก็บรักษาเป็นเวลานานอาจทำให้ความหนาของฟิล์มเพิ่มขึ้นและสูญเสียความจุ^{[ 116 ]}การชาร์จที่มากกว่า 4.2 V สามารถเริ่มต้นการเคลือบ Li⁺ บนขั้วบวก ทำให้เกิดการสูญเสียความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ กลไกการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรไลต์ ได้แก่ การไฮโดรไลซิสและการสลายตัวทางความร้อน^{[ 116 ]}ที่ความเข้มข้นต่ำเพียง 10 ppm น้ำจะเริ่มเร่งปฏิกิริยาผลิตภัณฑ์การเสื่อมสภาพจำนวนหนึ่งที่อาจส่งผลต่ออิเล็กโทรไลต์ ขั้วบวก และขั้วลบ^{[ 116 ]} LiPFมีส่วนร่วมในสมดุลกับ LiF และPFภายใต้สภาวะปกติ สมดุลจะอยู่ทางซ้ายมาก อย่างไรก็ตาม การมีน้ำอยู่จะทำให้เกิด LiF จำนวนมาก ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่ไม่ละลายน้ำและเป็นฉนวนไฟฟ้า LiF จะจับกับพื้นผิวแอโนด ทำให้ความหนาของฟิล์มเพิ่มขึ้น^{[ 116 ]} LiPFไฮโดรไลซิสให้ผลผลิตPFกรดลูอิสที่แรงซึ่งทำปฏิกิริยากับสารที่มีอิเล็กตรอนมาก เช่น น้ำPFทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างกรดไฮโดรฟลูออริก(HF) และฟอสฟอรัสออกซีฟลูออไรด์ ฟอสฟอรัสออกซีฟลูออไรด์จะทำปฏิกิริยาต่อไปเพื่อสร้าง HF เพิ่มเติมและกรดไดฟลูออโรไฮดรอกซีฟอสฟอริก HF เปลี่ยนฟิล์ม SEI ที่แข็งให้กลายเป็นฟิล์มที่เปราะบาง บนแคโทด ตัวทำละลายคาร์บอเนตสามารถแพร่กระจายไปยังออกไซด์ของแคโทดได้เมื่อเวลาผ่านไป ปล่อยความร้อนและอาจทำให้เกิดความร้อน^{สูงเกินไป [ 116 ]}การสลายตัวของเกลืออิเล็กโทรไลต์และปฏิกิริยาระหว่างเกลือกับตัวทำละลายเริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำถึง 70 °C การสลายตัวอย่างมีนัยสำคัญเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น ที่ 85 °Cทรานส์เอสเตอริฟิเคชันเช่น ไดเมทิล-2,5-ไดออกซาเฮกเซนคาร์บอกซิเลต (DMDOHC) เกิดขึ้นจาก EC ที่ทำปฏิกิริยากับ DMC^{[ 116 ]} แบตเตอรี่สร้างความร้อนเมื่อถูกชาร์จหรือคายประจุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่กระแสสูง ชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ เช่นที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า โดยทั่วไปจะมีระบบจัดการความร้อนที่รักษาอุณหภูมิไว้ระหว่าง 15 °C (59 °F) และ 35 °C (95 °F)^{[ 135 ]}อุณหภูมิของเซลล์แบบถุงและทรงกระบอกขึ้นอยู่กับกระแสการคายประจุแบบเชิงเส้น^{[ 136 ]}การระบายอากาศภายในที่ไม่ดีอาจทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น สำหรับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่ประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ อุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมออาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพที่ไม่สม่ำเสมอและเร่งตัวขึ้น^{[ 137 ]}ในทางตรงกันข้าม อายุการใช้งานตามปฏิทินของLiFePOเซลล์ไม่ได้รับผลกระทบจากสถานะประจุสูง^{[ 138 ]}^{[ 139 ]} ชั้น SEI บวกในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นเข้าใจได้ยากกว่าชั้น SEI ลบมาก เชื่อกันว่ามีค่าการนำไฟฟ้าไอออนต่ำและแสดงให้เห็นเป็นความต้านทานระหว่างขั้วแคโทดที่เพิ่มขึ้นระหว่างการใช้งานและการเสื่อมสภาพตามปฏิทิน^{[ 116 ]}^{[ 117 ]}^{[ 115 ]}
การชุบลิเธียมเป็นปรากฏการณ์ที่สภาวะบางอย่างนำไปสู่การก่อตัวและการสะสมของโลหะลิเธียมบนพื้นผิวของขั้วบวกของแบตเตอรี่ แทนที่จะแทรกตัวอยู่ภายในโครงสร้างของวัสดุขั้วบวก อุณหภูมิต่ำ การชาร์จไฟเกิน และอัตราการชาร์จสูงสามารถทำให้ปรากฏการณ์นี้รุนแรงขึ้นได้^{[ 140 ]}^{[ 141 ]}ในสภาวะเหล่านี้ ไอออนลิเธียมอาจไม่แทรกตัวเข้าไปในวัสดุขั้วบวกอย่างสม่ำเสมอและก่อตัวเป็นชั้นของไอออนลิเธียมบนพื้นผิวในรูปของเดนไดรต์ เดนไดร ต์ลิเธี ยมเป็นโครงสร้างคล้ายเข็มขนาดเล็กที่สามารถสะสมและแทงทะลุตัวแยก ทำให้เกิด การลัดวงจรและ สามารถเริ่มต้นการเกิดความร้อน สูงเกินไปได้^[¹¹⁶^] การไหลของพลังงานอย่างรวดเร็วและควบคุมไม่ได้นี้สามารถนำไปสู่การบวมของแบตเตอรี่ ความร้อนที่เพิ่มขึ้น ไฟไหม้ และ/หรือการระเบิด^[¹⁴²^]นอกจากนี้ การเติบโตของเดนไดรต์นี้ยังสามารถนำไปสู่ปฏิกิริยาข้างเคียงกับอิเล็กโทรไลต์และเปลี่ยนลิเธียมที่ชุบใหม่ให้กลายเป็นลิเธียมที่ตายแล้วซึ่งไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า^[¹⁴³^]ยิ่งไปกว่านั้น การเจริญเติบโตแบบเดนไดรต์ที่เกิดจากการเคลือบลิเธียมอาจทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสื่อมสภาพและนำไปสู่ประสิทธิภาพการทำงานที่ไม่ดีและอันตรายด้านความปลอดภัย^[¹⁴⁴^]วิธีบางอย่างในการลดการเคลือบลิเธียมและการเจริญเติบโตแบบเดนไดรต์ ได้แก่ การควบคุมอุณหภูมิ การปรับเงื่อนไขการชาร์จให้เหมาะสม และการปรับปรุงวัสดุที่ใช้^[¹⁴⁵^]ในแง่ของอุณหภูมิ อุณหภูมิการชาร์จที่เหมาะสมที่สุดอยู่ระหว่าง 0 °C ถึง 45 °C แต่ช่วงอุณหภูมิห้องก็เหมาะสมเช่นกัน (20 °C ถึง 25 °C) ^[¹⁴⁶^]ความก้าวหน้าในนวัตกรรมวัสดุต้องการการวิจัยและพัฒนา อย่างมาก ในการเลือกอิเล็กโทรไลต์และการปรับปรุงความต้านทานของขั้วบวกต่อการเคลือบ หนึ่งในนวัตกรรมวัสดุดังกล่าวคือการเพิ่มสารประกอบอื่น ๆ ลงในอิเล็กโทรไลต์ เช่น ฟลูออโรเอทิลีนคาร์บอเนต (FEC) เพื่อสร้าง LiF SEI ที่อุดมสมบูรณ์^[¹⁴⁷^] อีกวิธีหนึ่งที่แปลกใหม่คือการเคลือบตัวแยกด้วยเกราะป้องกันที่ "ฆ่า" ไอออนลิเธียมก่อนที่จะก่อตัวเป็นเดนไดรต์เหล่านี้^[¹⁴⁸^]
แคโทดที่มีแมงกานีสบางชนิดสามารถเสื่อมสภาพได้ด้วยกลไกการเสื่อมสภาพของ Hunter ส่งผลให้แมงกานีสละลายและลดลงที่แอโนด^{[ 116 ]}โดยกลไกของ Hunter สำหรับLiMnโอกรดไฮโดรฟลูออริกเร่งปฏิกิริยาการสูญเสียแมงกานีสผ่านการกระจายตัวของแมงกานีสไตรวาเลนต์บนพื้นผิวเพื่อสร้างแมงกานีสเตตระวาเลนต์และแมงกานีสไดวาเลนต์ที่ละลายได้:^{[ 116 ]}
2Mn ³⁺ → Mn ²⁺ + Mn ⁴⁺
การสูญเสียวัสดุของสปิเนลส่งผลให้ความจุลดลง อุณหภูมิต่ำถึง 50 °C ทำให้เกิดการตกตะกอนของ Mn ²⁺บนขั้วบวกในรูปของแมงกานีสโลหะ ซึ่งมีผลเช่นเดียวกับการชุบลิเธียมและทองแดง^{[ 119 ]}การหมุนเวียนเกินระดับแรงดันไฟฟ้าสูงสุดและต่ำสุดตามทฤษฎีจะทำลายโครงสร้างผลึกผ่านการบิดเบี้ยวแบบ Jahn-Tellerซึ่งเกิดขึ้นเมื่อ Mn ⁴⁺ถูกลดลงเป็น Mn ³⁺ระหว่างการคายประจุ^{[ 116 ]}การเก็บรักษาแบตเตอรี่ที่ชาร์จเกิน 3.6 V จะทำให้เกิดการออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์โดยขั้วแคโทดและทำให้เกิดการก่อตัวของชั้น SEI บนขั้วแคโทด เช่นเดียวกับขั้วบวก การก่อตัวของ SEI ที่มากเกินไปจะทำให้เกิดฉนวน ส่งผลให้ความจุลดลงและการกระจายกระแสไม่สม่ำเสมอ^{[ 116 ]}การเก็บรักษาที่แรงดันไฟฟ้าน้อยกว่า 2 V ส่งผลให้LiCoO เสื่อมสภาพอย่างช้าๆและLiMnโอตัว การปล่อยออกซิเจนและการสูญเสียความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้^{[ 116 ]}
การปล่อยด้านล่างแรงดัน 2 โวลต์อาจทำให้ตัวนำกระแสขั้วบวกทองแดงละลาย และส่งผลให้เกิดการลัดวงจรภายในอย่างรุนแรงขณะชาร์จไฟ

คำแนะนำ

มาตรฐานIEEE 1188–1996 แนะนำให้เปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในรถยนต์ไฟฟ้าเมื่อความจุประจุลดลงเหลือ 80% ของค่าที่กำหนด^{[ 149 ]}ต่อไปนี้ เราจะใช้การสูญเสียความจุ 20% เป็นจุดเปรียบเทียบระหว่างการศึกษาต่างๆ อย่างไรก็ตาม เราจะสังเกตว่าแบบจำลองเชิงเส้นของการเสื่อมสภาพ ( เปอร์เซ็นต์การสูญเสียประจุคงที่ต่อรอบหรือต่อช่วงเวลาตามปฏิทิน) ไม่สามารถนำมาใช้ได้เสมอไป และมักจะพบ "จุดหักงอ" ซึ่งสังเกตได้จากการเปลี่ยนแปลงของความชัน และเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงของกลไกการเสื่อมสภาพหลัก^{[ 150 ]}

ความปลอดภัย

ปัญหาด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับการยอมรับมาตั้งแต่ก่อนที่จะมีการวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์ครั้งแรกในปี 1991 สาเหตุหลักสองประการของการเกิดไฟไหม้และการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่เกิดขึ้นบนขั้วลบ (แอโนดเมื่อคายประจุ แคโทดเมื่อชาร์จ) ในระหว่างการชาร์จแบตเตอรี่ตามปกติ ไอออนลิเธียมจะแทรกตัวเข้าไปในกราไฟต์ อย่างไรก็ตาม หากการชาร์จเร็วเกินไปหรืออุณหภูมิต่ำเกินไป โลหะลิเธียมจะเริ่มเคลือบที่ขั้วลบ และเดนไดรต์ที่เกิดขึ้นสามารถทะลุผ่านตัวแยกแบตเตอรี่ ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในเซลล์ และส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าสูง ความร้อน และการลุกไหม้ ในกลไกอื่นๆ ปฏิกิริยาการระเบิดระหว่างวัสดุขั้วลบ (LiC6 และตัวทำละลาย (คาร์บอเนตอินทรีย์เหลว) เกิดขึ้นแม้ในวงจรเปิด โดยมีเงื่อนไขว่าอุณหภูมิของขั้วไฟฟ้าต้องเกินเกณฑ์ที่กำหนดไว้ที่สูงกว่า 70 °C ^{[ 151 ]}

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในรูปแบบ 18650 หรือใหญ่กว่านั้นอาจมีกลไกความปลอดภัย เช่น อุปกรณ์ตัดกระแส (CID) และอุปกรณ์สัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC) CID ประกอบด้วยแผ่นโลหะสองแผ่นที่สัมผัสกันทางไฟฟ้า เมื่อความดันภายในเพิ่มขึ้น แผ่นโลหะจะแยกออกจากกัน ทำให้วงจรขาดและหยุดกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ PTC ประกอบด้วยพอลิเมอร์นำไฟฟ้า การเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าทำให้พอลิเมอร์ร้อนขึ้น เพิ่มความต้านทานไฟฟ้าและลดการไหลของกระแสไฟฟ้า^{[ 152 ]}

อันตรายจากไฟไหม้

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจเป็นอันตรายต่อความปลอดภัย เนื่องจากมีอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้และอาจเกิดแรงดันหากเกิดความเสียหาย การชาร์จเซลล์แบตเตอรี่เร็วเกินไปอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรส่งผลให้เกิดความร้อนสูงเกินไป การระเบิด และไฟไหม้^{[ 153 ]}ไฟไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจาก

การใช้งานที่ไม่เหมาะสมเนื่องจากความร้อน เช่น การระบายความร้อนที่ไม่ดี หรือการเกิดไฟไหม้จากภายนอก
การใช้ไฟฟ้าอย่างไม่เหมาะสม เช่น การชาร์จไฟเกิน หรือการลัดวงจรภายนอก
การใช้งานที่ผิดวิธีทางกล เช่น การเจาะทะลุหรือการชน หรือ
การลัดวงจรภายใน เช่น เนื่องมาจากข้อบกพร่องในการผลิตหรือการเสื่อมสภาพตามอายุ^{[ 154 ]}^{[ 155 ]}

เนื่องจากความเสี่ยงเหล่านี้ มาตรฐานการทดสอบจึงเข้มงวดกว่าแบตเตอรี่กรดอิเล็กโทรไลต์ โดยต้องใช้เงื่อนไขการทดสอบที่หลากหลายกว่า และการทดสอบเฉพาะแบตเตอรี่เพิ่มเติม อีกทั้งยังมีข้อจำกัดด้านการขนส่งที่กำหนดโดยหน่วยงานกำกับดูแลด้านความปลอดภัย^{[ 70 ]}^{[ 156 ]}^{[ 157 ]}มีการเรียกคืนสินค้าที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่โดยบางบริษัท รวมถึง การเรียกคืน Samsung Galaxy Note 7 ในปี 2016 เนื่องจากแบตเตอรี่เกิดไฟไหม้^{[ 158 ]}^{[ 159 ]}

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟได้^{[ 160 ]}แบตเตอรี่ที่ชำรุดอาจทำให้เกิดไฟไหม้ร้ายแรง ได้ ^{[ 153 ]}เครื่องชาร์จที่ชำรุดอาจส่งผลต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ เนื่องจากอาจทำลายวงจรป้องกันของแบตเตอรี่ได้ ขณะชาร์จที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 °C ขั้วลบของเซลล์จะถูกเคลือบด้วยลิเธียมบริสุทธิ์ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด

การลัดวงจรแบตเตอรี่จะทำให้เซลล์ร้อนเกินไปและอาจเกิดไฟไหม้ได้^{[ 161 ]}ควันจากการเกิดความร้อนสูงเกินไปในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นติดไฟได้และเป็นพิษ^{[ 162 ]}แบตเตอรี่ได้รับการทดสอบตามมาตรฐานการป้องกันอัคคีภัย UL 9540A และมาตรฐาน TS-800 ยังทดสอบการลุกลามของไฟจากภาชนะบรรจุแบตเตอรี่หนึ่งไปยังภาชนะที่อยู่ติดกันด้วย^{[ 163 ]}

ประมาณปี 2010 แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่ถูกนำมาใช้แทนแบตเตอรี่ชนิดอื่นเพื่อจ่ายพลังงานให้กับระบบต่างๆ ในเครื่องบินบางรุ่น ( ณ เดือนมกราคม2014) มีเหตุการณ์ไฟไหม้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือควันอย่างน้อยสี่ครั้งบนเครื่องบินโดยสารโบอิ้ง 787 ที่เปิดตัวในปี 2011 ซึ่งไม่ได้ทำให้เกิดอุบัติเหตุ แต่มีศักยภาพที่จะทำให้เกิดอุบัติเหตุได้^{[ 164 ]}^{[ 165 ]}เที่ยวบินที่ 6 ของสายการบิน UPSตกในดูไบหลังจากแบตเตอรี่ที่บรรทุกมาเกิดการลุกไหม้เอง

เพื่อลดอันตรายจากไฟไหม้ โครงการวิจัยจึงมุ่งพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟ^{[ 166 ]}

ความเสียหายและการใช้งานเกินกำลัง

หากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสียหาย ถูกบดขยี้ หรือถูกใช้งานกับโหลดไฟฟ้าสูงเกินไปโดยไม่มีระบบป้องกันการชาร์จเกิน อาจเกิดปัญหาขึ้นได้ การลัดวงจรภายนอกอาจทำให้แบตเตอรี่ระเบิดได้^{[ 167 ]} เหตุการณ์ดังกล่าวอาจเกิดขึ้นได้เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ได้ถูกกำจัดทิ้งอย่างถูกต้อง แต่ถูกทิ้งรวมกับขยะอื่นๆ วิธีการจัดการของบริษัทรีไซเคิลอาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายและเกิดไฟไหม้ ซึ่งอาจนำไปสู่เพลิงไหม้ขนาดใหญ่ได้ มีการบันทึกเหตุการณ์ไฟไหม้ดังกล่าว 12 ครั้งในโรงงานรีไซเคิลของสวิตเซอร์แลนด์ในปี 2023 ^{[ 168 ]}

หากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนร้อนเกินไปหรือชาร์จไฟเกิน อาจเกิดภาวะความร้อนสูงเกินจนเซลล์แตกได้^{[ 169 ]}^{[ 170 ]}ในระหว่างภาวะความร้อนสูงเกิน กระบวนการเสื่อมสภาพภายในและการออกซิเดชันอาจทำให้อุณหภูมิของเซลล์สูงกว่า 500 °C ซึ่งอาจทำให้เกิดการลุกไหม้ของสารไวไฟรอง รวมถึงนำไปสู่การรั่วไหล การระเบิด หรือไฟไหม้ในกรณีที่รุนแรง^{[ 171 ]}เพื่อลดความเสี่ยงเหล่านี้ เซลล์ลิเธียมไอออน (และชุดแบตเตอรี่) จำนวนมากจึงมีวงจรป้องกันความเสียหายที่ตัดการเชื่อมต่อแบตเตอรี่เมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่นอกช่วงที่ปลอดภัย 3–4.2 V ต่อเซลล์^{[ 172 ]}^{[ 79 ]}หรือเมื่อชาร์จไฟเกินหรือคายประจุเกิน ชุดแบตเตอรี่ลิเธียม ไม่ว่าจะสร้างโดยผู้ผลิตหรือผู้ใช้ปลายทาง หากไม่มีวงจรจัดการแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพ ก็อาจเกิดปัญหาเหล่านี้ได้ วงจรจัดการแบตเตอรี่ที่ออกแบบหรือใช้งานไม่ดีก็อาจทำให้เกิดปัญหาได้เช่นกัน เป็นเรื่องยากที่จะแน่ใจว่าวงจรจัดการแบตเตอรี่ใดๆ ได้รับการใช้งานอย่างถูกต้อง

ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า

เซลล์ลิเธียมไอออนมีความอ่อนไหวต่อความเครียดจากช่วงแรงดันไฟฟ้าที่อยู่นอกช่วงที่ปลอดภัยระหว่าง 2.5 และ 3.65/4.1/4.2 หรือ 4.35 V (ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของเซลล์) การเกินช่วงแรงดันไฟฟ้านี้จะส่งผลให้เกิดการเสื่อมสภาพก่อนวัยอันควรและมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเนื่องจากส่วนประกอบที่ทำปฏิกิริยาได้ในเซลล์^{[ 173 ]}เมื่อเก็บไว้เป็นเวลานาน กระแสไฟฟ้าเล็กน้อยที่ดึงจากวงจรป้องกันอาจทำให้แบตเตอรี่หมดต่ำกว่าแรงดันไฟฟ้าปิดการทำงาน เครื่องชาร์จทั่วไปอาจใช้การไม่ได้เนื่องจากระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อาจบันทึก "ความล้มเหลว" ของแบตเตอรี่ (หรือเครื่องชาร์จ) นี้ไว้^{[ 174 ]}เซลล์ลิเธียมไอออนหลายประเภทไม่สามารถชาร์จได้อย่างปลอดภัยที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 °C ^{[ 175 ]}เนื่องจากอาจทำให้เกิดการเคลือบลิเธียมบนขั้วบวกของเซลล์ ซึ่งอาจทำให้เกิดภาวะแทรกซ้อน เช่น เส้นทางลัดวงจรภายใน^{[ 176 ]}

คุณสมบัติความปลอดภัยอื่นๆ จำเป็นต้องมีในแต่ละเซลล์: ^{[ 172 ]}

ตัวแยกปิดระบบ (สำหรับกรณีเครื่องร้อนเกินไป)
แถบฉีกออก (สำหรับระบายแรงดันภายใน)
ช่องระบายอากาศ (ระบายแรงดันในกรณีที่มีการรั่วไหลของก๊าซอย่างรุนแรง)
การหยุดทำงานเนื่องจากความร้อนสูง (กระแสไฟเกิน/การชาร์จไฟเกิน/การสัมผัสกับสภาพแวดล้อม)

คุณสมบัติเหล่านี้จำเป็นเนื่องจากขั้วลบจะสร้างความร้อนระหว่างการใช้งาน ในขณะที่ขั้วบวกอาจสร้างออกซิเจน อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์เพิ่มเติมเหล่านี้ใช้พื้นที่ภายในเซลล์ เพิ่มจุดที่อาจเกิดความล้มเหลว และอาจทำให้เซลล์ใช้งานไม่ได้อย่างถาวรเมื่อเปิดใช้งาน นอกจากนี้ คุณสมบัติเหล่านี้ยังเพิ่มต้นทุนเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ซึ่งต้องการเพียงอุปกรณ์รวมไฮโดรเจน/ออกซิเจนและวาล์วแรงดันสำรองเท่านั้น^{[ 79 ]}สารปนเปื้อนภายในเซลล์อาจทำให้ระบบความปลอดภัยเหล่านี้ใช้งานไม่ได้ นอกจากนี้ คุณสมบัติเหล่านี้ไม่สามารถนำไปใช้กับเซลล์ทุกชนิดได้ เช่น เซลล์กระแสสูงแบบปริซึมไม่สามารถติดตั้งช่องระบายอากาศหรือตัวตัดความร้อนได้ เซลล์กระแสสูงต้องไม่สร้างความร้อนหรือออกซิเจนมากเกินไป มิฉะนั้นอาจเกิดความล้มเหลว ซึ่งอาจรุนแรงได้ ในทางกลับกัน เซลล์เหล่านี้ต้องติดตั้งฟิวส์ความร้อนภายในซึ่งจะทำงานก่อนที่แอโนดและแคโทดจะถึงขีดจำกัดความร้อน^{[ 177 ]}

การแทนที่ วัสดุขั้วบวก ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ด้วยลิเธียมเมทัลฟอสเฟต เช่น ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) ช่วยเพิ่มจำนวนรอบการใช้งาน อายุการเก็บรักษา และความปลอดภัย แต่ลดความจุลง ณ ปี 2549 แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ปลอดภัยกว่าเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าและการใช้งานแบตเตอรี่ความจุสูงอื่นๆ ซึ่งความปลอดภัยเป็นสิ่งสำคัญ^{[ 178 ]}ในปี 2559 ระบบจัดเก็บพลังงานที่ใช้ LFP ได้รับเลือกให้ติดตั้งในPaiyun Lodgeบนภูเขาหยก (Yushan) (ที่พักที่สูงที่สุดในไต้หวัน ) ณ เดือนมิถุนายน 2567 ระบบยังคงทำงานได้อย่างปลอดภัย^{[ 179 ]}

การเรียกคืนสินค้า

ในปี พ.ศ. 2549 มีการเรียกคืนแบตเตอรี่โซนี่ประมาณ 10 ล้านก้อนที่ใช้ในแล็ปท็อป รวมถึงแบตเตอรี่ในแล็ปท็อปจากDell , Sony , Apple , Lenovo , Panasonic , Toshiba , Hitachi , FujitsuและSharpพบว่าแบตเตอรี่เหล่านี้มีความเสี่ยงต่อการปนเปื้อนภายในจากอนุภาคโลหะในระหว่างการผลิต ในบางกรณี อนุภาคเหล่านี้อาจทะลุแผ่นกั้น ทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรที่เป็นอันตรายได้^{[ 180 ]}

IATAประมาณการว่า มีการขนส่งเซลล์ โลหะลิเธียมและลิเธียมไอออนทางอากาศมากกว่าหนึ่งพันล้านเซลล์ในแต่ละปี^{[ 181 ]}แบตเตอรี่ลิเธียมบางชนิดอาจถูกห้ามนำขึ้นเครื่องบินเนื่องจากมีความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้^{[ 182 ]}^{[ 183 ]}หน่วยงานไปรษณีย์บางแห่งจำกัดการขนส่งแบตเตอรี่ลิเธียมและลิเธียมไอออนทางอากาศ (รวมถึงEMS ) ไม่ว่าจะแยกกันหรือติดตั้งอยู่ในอุปกรณ์ก็ตาม

อิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟ

ในปี 2023 แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้ ตัวทำละลาย อัลคิลคาร์บอเนตเพื่อให้เกิดการสร้างชั้นอิเล็กโทรไลต์แข็งบนขั้วลบ เนื่องจากตัวทำละลายดังกล่าวติดไฟได้ง่าย จึงมีการวิจัยอย่างจริงจังเพื่อหาตัวทำละลายที่ไม่ติดไฟหรือสารดับเพลิง มาทดแทน อีกแหล่งอันตรายหนึ่งคือ ไอออน เฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตซึ่งจำเป็นสำหรับการเคลือบผิวตัวนำกระแสไฟฟ้าขั้วลบที่ทำจากอะลูมิเนียม เฮกซาฟลูออโรฟอสเฟตทำปฏิกิริยากับน้ำและปล่อยไฮโดรเจนฟลูออไรด์ซึ่ง ระเหยง่ายและเป็นพิษ

มีการสำรวจกลยุทธ์หลายประการในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ไม่ติดไฟ^{[ 184 ]}แนวทางหนึ่งใช้ตัวทำละลายฟลูออริเนต เช่นเมทิล-(2,2,2-ไตรฟลูออโรเอทิล)- คาร์บอเนต (FEMC) หรือเมทิล-3,3,3-ไตรฟลูออโรโพรพิโอเนต (MTFP) อีกแนวทางหนึ่งใช้แอนไอออนฟลูออริเนต เช่นลิเธียมบิส(ไตรฟลูออโรเมทานซัลโฟนิล)อิไมด์หรือลิเธียมไดฟลูออโร(ออกซาลาโต)บอเรตในความเข้มข้นสูง

ห่วงโซ่อุปทาน

ณ ปี 2021 เกือบ 90% ของการสกัดลิเธียมดิบมาจากสามประเทศ ได้แก่ ออสเตรเลีย (53%) ชิลี (24%) และจีน (10%) โดยเกือบทั้งหมดมาจากจีน (56%) ชิลี (32%) และอาร์เจนตินา (11%) ^{[ 185 ]}

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

การสกัดลิเธียมนิกเกลและโคบอลต์การผลิตตัวทำละลาย และผลิตภัณฑ์พลอยได้จากการทำเหมือง ก่อให้เกิดอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและสุขภาพอย่างมาก^{[ 187 ]}^{[ 188 ]}^{[ 189 ]}การสกัดลิเธียมอาจเป็นอันตรายถึงชีวิตต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำเนื่องจากมลพิษทางน้ำ^{[ 190 ]}เป็นที่ทราบกันดีว่าทำให้เกิดการปนเปื้อนของน้ำผิวดิน การปนเปื้อนของน้ำดื่ม ปัญหาทางเดินหายใจ การเสื่อมโทรมของระบบนิเวศ และความเสียหายต่อภูมิทัศน์^{[ 187 ]}นอกจากนี้ยังนำไปสู่การใช้น้ำอย่างไม่ยั่งยืนในพื้นที่แห้งแล้ง (1.9 ล้านลิตรต่อลิเธียมหนึ่งตัน) ^{[ 187 ]}การเกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้จำนวนมากจากการสกัดลิเธียมยังก่อให้เกิดปัญหาที่ยังแก้ไม่ตก เช่น ของเสียแมกนีเซียมและปูนขาวจำนวนมาก^{[ 191 ]}

การทำเหมืองลิเธียมเกิดขึ้นในอเมริกาเหนือและใต้ เอเชีย แอฟริกาใต้ ออสเตรเลีย และจีน^{[ 192 ]}

โคบอลต์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ขุดได้ในคองโก (ดูเพิ่มเติมที่อุตสาหกรรมเหมืองแร่ของสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก ) การทำเหมืองโคบอลต์แบบเปิดทำให้เกิดการตัดไม้ทำลายป่าและการทำลายแหล่งที่อยู่อาศัยในสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก^{[ 193 ]}

การทำเหมืองนิกเกลแบบเปิดทำให้เกิดความเสื่อมโทรมและมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมในประเทศกำลังพัฒนา เช่นฟิลิปปินส์และอินโดนีเซีย [ ¹⁹⁴^]^[¹⁹⁵^{] ในปี 2024}^การทำเหมืองและการแปรรูปนิกเกลเป็นสาเหตุหลักประการหนึ่งของการทำลายป่าในอินโดนีเซีย^[¹⁹⁶^]^[¹⁹⁷^]

การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 1 กิโลกรัม ต้องใช้พลังงาน ประมาณ 67 เมกะจู ล (MJ) ^{[ 198 ]}^{[ 199 ]} ศักยภาพ ในการทำให้เกิดภาวะโลกร้อนของการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ใช้ในการทำเหมืองและการผลิต และเป็นการยากที่จะประเมิน แต่จากการศึกษาในปี 2019 พบว่ามีการปล่อย CO2e 73 กิโลกรัมต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง^{[ 200 ]}การรีไซเคิลอย่างมีประสิทธิภาพสามารถลดปริมาณคาร์บอนฟุตพริ้นท์ของการผลิตได้อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 201 ]}

ขยะมูลฝอยและการรีไซเคิล

อัตราการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักถูกเข้าใจผิดว่าเป็น 5% ในความเป็นจริงแล้ว งานวิจัยที่มีอยู่ยังไม่เพียงพอที่จะระบุตัวเลขที่แน่นอนได้^{[ 202 ]}สหภาพยุโรปประมาณการว่า 49% ของแบตเตอรี่พกพาที่จำหน่ายได้ถูกรวบรวมเพื่อนำไปรีไซเคิลในปี 2023 ในขณะที่สหราชอาณาจักรประมาณการไว้ที่ 45% ในปี 2026 ^{[ 203 ]}^{[ 204 ]}กฎหมายใหม่ของสหภาพยุโรปกำหนดให้ต้องนำวัสดุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่รวบรวมได้ 70% กลับมาใช้ใหม่ผ่านการรีไซเคิลภายในปี 2031 ซึ่งต้องรวมถึงอัตราการนำกลับมาใช้ใหม่ 80% สำหรับลิเธียม และ 95% สำหรับโคบอลต์ นิกเกล และแมงกานีส อย่างไรก็ตาม ณ ปี 2023 ยังไม่มีลิเธียมที่รีไซเคิลแล้วกลับเข้ามาในสหภาพยุโรป^{[ 205 ]}^{[ 185 ]}มาตรการเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อช่วยส่งเสริมความยั่งยืนและลดแรงกดดันต่อการสกัดวัตถุดิบ เนื่องจากความต้องการลิเธียมและโคบอลต์คาดว่าจะเพิ่มขึ้น 8 เท่าภายในปี 2040 ซึ่งเกินขีดความสามารถในการผลิตในปัจจุบันอย่างมาก^{[ 206 ]}งานวิจัยส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การกู้คืนวัสดุที่ใช้งานได้ โดยเฉพาะลิเธียมซึ่งเป็นวัตถุดิบสำคัญอย่างไรก็ตาม ด้วยเทคนิคการรีไซเคิลขั้นสูงและการพิจารณาการออกแบบที่ยั่งยืนมากขึ้น อิเล็กโทรไลต์ สารยึดเกาะ และตัวแยกก็สามารถรีไซเคิลได้เช่นกัน^{[ 207 ]}

การรีไซเคิลเป็นกระบวนการหลายขั้นตอน เริ่มต้นด้วยการจัดเก็บแบตเตอรี่ก่อนการกำจัด ตามด้วยการทดสอบด้วยมือ การถอดประกอบ และสุดท้ายคือการแยกส่วนประกอบของแบตเตอรี่ด้วยกระบวนการทางเคมี การนำแบตเตอรี่กลับมาใช้ใหม่เป็นที่นิยมมากกว่าการรีไซเคิลอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากมีพลังงานแฝงในกระบวนการน้อยกว่า เนื่องจากแบตเตอรี่เหล่านี้มีปฏิกิริยามากกว่าขยะจากยานยนต์ทั่วไป เช่น ยางรถยนต์ จึงมีความเสี่ยงอย่างมากในการจัดเก็บแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว^{[ 208 ]}

การกู้คืนด้วยกระบวนการถลโลหะวิทยาความร้อนสูง

วิธี การ ไพโรเมทัลลurgicalใช้เตาเผาอุณหภูมิสูงเพื่อลดส่วนประกอบของโลหะออกไซด์ในแบตเตอรี่ให้เป็นโลหะผสมของ Co, Cu, Fe และ Ni นี่เป็นวิธีการรีไซเคิลที่พบได้ทั่วไปและเป็นที่ยอมรับในเชิงพาณิชย์มากที่สุด และสามารถนำไปรวมกับแบตเตอรี่อื่นๆ ที่คล้ายกันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการหลอมและปรับปรุงอุณหพลศาสตร์ตัวนำกระแสไฟฟ้าโลหะช่วยในกระบวนการหลอม ทำให้สามารถหลอมเซลล์หรือโมดูลทั้งหมดได้ในคราวเดียว^{[ 209 ]}ผลิตภัณฑ์ของวิธีนี้คือโลหะผสมตะกรันและก๊าซรวมกัน ที่อุณหภูมิสูง โพลิเมอร์ที่ใช้ยึดเซลล์แบตเตอรี่เข้าด้วยกันจะเผาไหม้ และโลหะผสมสามารถแยกออกจากกันได้ผ่านกระบวนการไฮโดรเมทัลลurgical เป็นส่วนประกอบต่างๆ ตะกรันสามารถนำไปกลั่นเพิ่มเติมหรือใช้ใน อุตสาหกรรม ซีเมนต์กระบวนการนี้ค่อนข้างปราศจากความเสี่ยง และ ปฏิกิริยา คายความร้อนจากการเผาไหม้ของโพลิเมอร์ช่วยลดพลังงานป้อนเข้าที่จำเป็น อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการนี้ พลาสติกอิเล็กโทรไลต์และเกลือลิเธียมจะสูญหายไป^{[ 210 ]}

การนำโลหะกลับมาใช้ใหม่ด้วยกระบวนการไฮโดรเมทัลลurgical

วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการใช้สารละลายในน้ำเพื่อกำจัดโลหะที่ต้องการออกจากแคโทด สารเคมีที่ใช้กันทั่วไปคือกรดซัลฟิวริก [ ^{211 ] ปัจจัย}ที่มีผลต่ออัตราการชะล้าง ได้แก่ ความเข้มข้นของกรด เวลา อุณหภูมิ อัตราส่วนของของแข็งต่อของเหลว และสารลด^{[ 212 ]}มีการพิสูจน์ทางทดลองแล้วว่า H O ทำหน้าที่เป็นสารลดเพื่อเร่งอัตราการชะล้างผ่านปฏิกิริยา^{[ 213 ]}

2 LiCoO + 3 H SO + H O → 2 CoSO + Li SO + 4 H O + O

เมื่อละลายแล้ว โลหะสามารถสกัดได้ผ่าน ปฏิกิริยา การตกตะกอนที่ควบคุมโดยการเปลี่ยนระดับ pH ของสารละลาย โคบอลต์ซึ่งเป็นโลหะที่มีราคาแพงที่สุด สามารถกู้คืนได้ในรูปของซัลเฟต ออกซาเลต ไฮดรอกไซด์ หรือคาร์บอเนต เมื่อไม่นานมานี้วิธีการรีไซเคิลได้ทดลองกับการสร้างแคโทดขึ้นใหม่โดยตรงจากโลหะที่ละลายแล้ว ในขั้นตอนเหล่านี้ ความเข้มข้นของโลหะที่ละลายแล้วต่างๆ จะถูกวัดล่วงหน้าเพื่อให้ตรงกับแคโทดเป้าหมาย จากนั้นแคโทดจะถูกสังเคราะห์ขึ้นโดยตรง^[²¹⁴^]

อย่างไรก็ตาม ปัญหาหลักของวิธีนี้คือปริมาณตัวทำละลายที่ต้องการมีจำนวนมากและต้นทุนการทำให้เป็นกลางที่สูง แม้ว่าการบดแบตเตอรี่จะทำได้ง่าย แต่การผสมแคโทดและแอโนดตั้งแต่เริ่มต้นทำให้กระบวนการซับซ้อนขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องแยกออกจากกันด้วย น่าเสียดายที่การออกแบบแบตเตอรี่ในปัจจุบันทำให้กระบวนการนี้ซับซ้อนอย่างมากและยากที่จะแยกโลหะในระบบแบตเตอรี่แบบวงปิด การบดและการละลายอาจเกิดขึ้นในสถานที่ที่แตกต่างกัน^{[ 215 ]}

การรีไซเคิลโดยตรง

การรีไซเคิลโดยตรงคือการนำแคโทดหรือแอโนดออกจากอิเล็กโทรด จากนั้นจึงปรับสภาพและนำกลับมาใช้ใหม่ในแบตเตอรี่ใหม่ สามารถเพิ่มออกไซด์โลหะผสมลงในอิเล็กโทรดใหม่ได้โดยมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างผลึกเพียงเล็กน้อย กระบวนการโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการเติมลิเธียมใหม่เพื่อชดเชยการสูญเสียลิเธียมในแคโทดเนื่องจากการเสื่อมสภาพจากการใช้งาน แถบแคโทดได้มาจากแบตเตอรี่ที่แยกชิ้นส่วน จากนั้นแช่ในและ ผ่านกระบวนการอัลตราโซนิ กเพื่อกำจัดคราบสะสมส่วนเกิน จากนั้นจึงทำการบำบัดด้วยความร้อนด้วยสารละลายที่มี LiOH/Li₂SO₄ การอบ^[²¹⁶^]

วิธีนี้มีประสิทธิภาพด้านต้นทุนสูงมากสำหรับแบตเตอรี่ที่ไม่ใช้โคบอลต์ เนื่องจากวัตถุดิบไม่ได้คิดเป็นต้นทุนส่วนใหญ่ การรีไซเคิลโดยตรงช่วยหลีกเลี่ยงขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์ที่ใช้เวลานานและมีราคาแพง ซึ่งเหมาะสำหรับแคโทดต้นทุนต่ำ เช่น LiMn O และ LiFePO สำหรับแคโทดราคาถูกเหล่านี้ ต้นทุน พลังงานที่ฝังตัว และคาร์บอนฟุตพริ้นท์ ส่วนใหญ่ จะเกี่ยวข้องกับการผลิตมากกว่าวัตถุดิบ^{[ 217 ]}มีการทดลองแสดงให้เห็นว่าการรีไซเคิลโดยตรงสามารถสร้างคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกับกราไฟต์บริสุทธิ์ได้

ข้อเสียของวิธีนี้อยู่ที่สภาพของแบตเตอรี่ที่หมดอายุการใช้งาน ในกรณีที่แบตเตอรี่อยู่ในสภาพค่อนข้างดี การรีไซเคิลโดยตรงสามารถฟื้นฟูคุณสมบัติของแบตเตอรี่ได้ในราคาถูก อย่างไรก็ตาม สำหรับแบตเตอรี่ที่มีระดับประจุต่ำ การรีไซเคิลโดยตรงอาจไม่คุ้มค่ากับการลงทุน กระบวนการนี้จะต้องปรับให้เข้ากับองค์ประกอบของแคโทดโดยเฉพาะ ดังนั้นกระบวนการนี้จึงต้องกำหนดค่าให้เหมาะสมกับแบตเตอรี่แต่ละประเภทในแต่ละครั้ง^{[ 218 ]}สุดท้าย ในยุคที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่พัฒนาอย่างรวดเร็ว การออกแบบแบตเตอรี่ในปัจจุบันอาจไม่เป็นที่ต้องการในอีกสิบปีข้างหน้า ทำให้การรีไซเคิลโดยตรงไม่มีประสิทธิภาพ

การแยกวัสดุทางกายภาพ

การแยกวัสดุทางกายภาพจะนำวัสดุที่กู้คืนได้กลับมาใช้ใหม่โดยการบดเชิงกลและใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางกายภาพของส่วนประกอบต่างๆ เช่น ขนาดอนุภาค ความหนาแน่น ความเป็นแม่เหล็ก และการไม่ชอบน้ำ ทองแดง อะลูมิเนียม และปลอกเหล็กสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้โดยการคัดแยก วัสดุที่เหลือเรียกว่า "มวลสีดำ" ซึ่งประกอบด้วยนิกเกล โคบอลต์ ลิเธียม และแมงกานีส จำเป็นต้องได้รับการบำบัดขั้นที่สองเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่^{[ 219 ]}

การฟื้นฟูโลหะทางชีวภาพ

สำหรับการฟื้นฟูโลหะทางชีวภาพหรือการชะล้างทางชีวภาพ กระบวนการนี้ใช้จุลินทรีย์ในการย่อยสลายออกไซด์ของโลหะอย่างเลือกสรร จากนั้นผู้รีไซเคิลสามารถลดออกไซด์เหล่านี้เพื่อผลิตอนุภาคนาโนของโลหะ แม้ว่าการชะล้างทางชีวภาพจะถูกนำมาใช้ประสบความสำเร็จในอุตสาหกรรมเหมืองแร่ แต่กระบวนการนี้ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นสำหรับอุตสาหกรรมการรีไซเคิล และยังมีโอกาสอีกมากมายสำหรับการวิจัยเพิ่มเติม^{[ 219 ]}

การรีไซเคิลอิเล็กโทรไลต์

การรีไซเคิลอิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยสองขั้นตอน ขั้นตอนการรวบรวมจะแยกอิเล็กโทรไลต์ออกจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้แล้ว ซึ่งสามารถทำได้โดยกระบวนการทางกล การกลั่น การแช่แข็งการสกัดด้วยตัวทำ ละลาย และการสกัดด้วยของเหลววิกฤตยิ่งยวดเนื่องจากอิเล็กโทรไลต์มีความระเหยง่าย ติดไฟง่าย และมีความไวต่อสิ่งเร้า กระบวนการรวบรวมจึงมีความยากลำบากมากกว่ากระบวนการรวบรวมส่วนประกอบอื่นๆ ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ขั้นตอนต่อไปคือการแยก/การสร้างอิเล็กโทรไลต์ขึ้นใหม่ การแยกประกอบด้วยการแยกส่วนประกอบแต่ละส่วนของอิเล็กโทรไลต์ วิธีนี้มักใช้สำหรับการกู้คืนเกลือลิเธียมโดยตรงจากตัวทำละลายอินทรีย์ ในทางตรงกันข้าม การสร้างอิเล็กโทรไลต์ขึ้นใหม่มีจุดมุ่งหมายเพื่อรักษาส่วนประกอบของอิเล็กโทรไลต์โดยการกำจัดสิ่งเจือปน ซึ่งสามารถทำได้โดยวิธีการกรอง^{[ 220 ]}^{[ 221 ]}

การรีไซเคิลอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งคิดเป็น 10–15% โดยน้ำหนักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้น ให้ประโยชน์ทั้งทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อม ประโยชน์เหล่านี้รวมถึงการกู้คืนเกลือลิเธียมที่มีมูลค่า และการป้องกันการปล่อยสารประกอบอันตราย เช่น สารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย ( VOCs ) และสารก่อมะเร็ง สู่สิ่งแวดล้อม

เมื่อเปรียบเทียบกับการรีไซเคิลอิเล็กโทรด การรีไซเคิลอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้รับความสนใจน้อยกว่า เนื่องจากมีผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจต่ำกว่าและมีความท้าทายในกระบวนการมากกว่า ความท้าทายดังกล่าวอาจรวมถึงความยากลำบากในการรีไซเคิลอิเล็กโทรไลต์ที่มีองค์ประกอบต่างกัน^{[ 222 ]}การกำจัดผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่สะสมจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ในระหว่างการใช้งาน^{[ 223 ]}และการกำจัดอิเล็กโทรไลต์ที่ดูดซับอยู่บนอิเล็กโทรด^{[ 224 ]}เนื่องจากความท้าทายเหล่านี้ วิธีการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบไพโรเมทัลลurgical ในปัจจุบันจึงละเว้นการกู้คืนอิเล็กโทรไลต์ และปล่อยก๊าซอันตรายออกมาเมื่อได้รับความร้อน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีการใช้พลังงานสูงและส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม วิธีการรีไซเคิลในอนาคตจึงมุ่งไปในทิศทางที่แตกต่างจากวิธีนี้^{[ 225 ]}

ผลกระทบด้านสิทธิมนุษยชน

การสกัดวัตถุดิบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอาจก่อให้เกิดอันตรายต่อคนในพื้นที่ โดยเฉพาะประชากรพื้นเมืองที่อาศัยอยู่บนบก^{[ 226 ]}

โคบอลต์ที่มาจากสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโกมักถูกขุดโดยคนงานที่ใช้เครื่องมือด้วยมือโดยมีมาตรการความปลอดภัยน้อย ส่งผลให้เกิดการบาดเจ็บและเสียชีวิตบ่อยครั้ง^{[ 227 ]}มลพิษจากเหมืองเหล่านี้ทำให้ผู้คนสัมผัสกับสารเคมีที่เป็นพิษ ซึ่งเจ้าหน้าที่สาธารณสุขเชื่อว่าเป็นสาเหตุของความพิการแต่กำเนิดและปัญหาการหายใจ^{[ 228 ]}นักเคลื่อนไหวด้านสิทธิมนุษยชนได้กล่าวหา และนักข่าวสืบสวนได้รายงานยืนยัน^{[ 229 ]}^{[ 230 ]}ว่า มีการใช้ แรงงานเด็กในเหมืองเหล่านี้^{[ 231 ]}

การศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างบริษัทสกัดลิเธียมกับชนพื้นเมืองในอาร์เจนตินาระบุว่ารัฐอาจไม่ได้ปกป้องสิทธิของชนพื้นเมืองในการให้ความยินยอมโดยสมัครใจและได้รับข้อมูลอย่างครบถ้วนและโดยทั่วไปบริษัทสกัดจะควบคุมการเข้าถึงข้อมูลของชุมชนและกำหนดเงื่อนไขสำหรับการอภิปรายโครงการและการแบ่งปันผลประโยชน์^{[ 232 ]}

การพัฒนาเหมืองลิเธียม Thacker Passในรัฐเนวาดา สหรัฐอเมริกา ได้รับการต่อต้านและฟ้องร้องจากชนเผ่าพื้นเมืองหลายเผ่าที่กล่าวว่าพวกเขาไม่ได้รับความยินยอมโดยสมัครใจและได้รับข้อมูลอย่างครบถ้วน และโครงการนี้คุกคามสถานที่ทางวัฒนธรรมและสถานที่ศักดิ์สิทธิ์^{[ 233 ]}ความเชื่อมโยงระหว่างการสกัดทรัพยากรและการหายตัวไปและการฆาตกรรมสตรีพื้นเมืองยังกระตุ้นให้ชุมชนท้องถิ่นแสดงความกังวลว่าโครงการนี้จะสร้างความเสี่ยงต่อสตรีพื้นเมือง^{[ 234 ]}ผู้ประท้วงได้เข้ายึดครองพื้นที่ของเหมืองที่เสนอไว้ตั้งแต่เดือนมกราคม พ.ศ. 2564 ^{[ 235 ]}^{[ 236 ]}

วิจัย

นักวิจัยกำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงาน ความปลอดภัย ความทนทานต่อรอบ (อายุการใช้งานของแบตเตอรี่) เวลาในการชาร์จ ต้นทุน ความยืดหยุ่น และคุณลักษณะอื่นๆ รวมถึงวิธีการวิจัยและการใช้งานของแบตเตอรี่เหล่านี้^{[ 237 ]}แบตเตอรี่โซลิดสเตทกำลังได้รับการวิจัยในฐานะความก้าวหน้าในการเอาชนะอุปสรรคทางเทคโนโลยี ปัจจุบัน แบตเตอรี่โซลิดสเตทคาดว่าจะเป็นแบตเตอรี่รุ่นต่อไปที่มีแนวโน้มดีที่สุด และบริษัทต่างๆ กำลังทำงานเพื่อทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้เป็นที่นิยม

ขอบเขตการวิจัยสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ การยืดอายุการใช้งาน การเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน การปรับปรุงความปลอดภัย การลดต้นทุน และการเพิ่มความเร็วในการชาร์จ^{[ 238 ]}^{[ 239 ]}เป็นต้น การวิจัยได้ดำเนินไปในด้านอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟ ซึ่งเป็นแนวทางสู่การเพิ่มความปลอดภัยโดยพิจารณาจากความไวไฟและความผันผวนของตัวทำละลายอินทรีย์ที่ใช้ในอิเล็กโทรไลต์ทั่วไป กลยุทธ์ต่างๆ ได้แก่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบใช้น้ำ อิเล็กโทรไลต์แข็งเซรามิก อิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์ ของเหลวไอออนิก และระบบที่มีฟลูออรีนสูง^{[ 240 ]}^{[ 241 ]}^{[ 242 ]}^{[ 243 ]}

หนึ่งในวิธีการปรับปรุงแบตเตอรี่คือการรวมวัสดุแคโทดต่างๆ เข้าด้วยกัน วิธีนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุในขณะที่จำกัดข้อเสียได้ ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งคือการเคลือบลิเธียม นิกเกิล แมงกานีส ออกไซด์ด้วยลิเธียม เหล็ก ฟอสเฟตผ่านการผสมเสียงสะท้อน วัสดุที่ได้จะได้รับประโยชน์จากประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นและการรักษาความจุที่ดีขึ้น^{[ 244 ]}งานที่คล้ายกันนี้ทำกับเหล็ก (III) ฟอสเฟต^{[ 245 ]} เนื่องจากเป็นที่ยอมรับกันแล้วว่าไม่เพียงแต่โลหะทรานซิชันเท่านั้น แต่แอนไอออนในแคโทดก็มีส่วนร่วมในกิจกรรมรีดอกซ์ที่จำเป็นสำหรับการแทรกและการกำจัดลิเธียม การออกแบบวัสดุแคโทดที่มีแคตไอออนโลหะทรานซิชันที่หลากหลายจึงพิจารณาปฏิกิริยารีดอกซ์ของออกซิเจนในแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมากขึ้นเรื่อยๆ และวิธีที่ปฏิกิริยาเหล่านี้อาจเพิ่มความจุให้เกินข้อจำกัดของโลหะทรานซิชัน โดยการศึกษาเชิงคำนวณโดยใช้ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่นช่วยในการเพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุในขณะที่ลดการเสื่อมสภาพของโครงสร้างให้น้อยที่สุด ความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจรีดอกซ์ของแอนไอออนนำไปสู่กลยุทธ์การทำให้เสถียร เช่น การฟลูออริเนชันของพื้นผิว ซึ่งช่วยปรับปรุงความเสถียรในการหมุนเวียนและความปลอดภัย^{[ 246 ]}

ดูเพิ่มเติม

ลิงก์ภายนอก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในสารานุกรมบริแทนนิกา
กลไกการเสื่อมสภาพและการทำนายอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน , NREL , กรกฎาคม 2558
ผลกระทบของอุณหภูมิที่สูงเกินปกติต่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่สำหรับการใช้งานในยานยนต์ , NREL , มีนาคม 2013

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

[ 27 ]

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

ในปี พ.ศ. 2523 Ned A. Godshall และคณะ [ 34 ]

[ 35 ]

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]

[ 43 ]

[ 44 ]

[ 45 ]

[ 46 ]

[ 47 ]

[

[

[

[ 51 ]

[ 52 ]

[ 53 ]

[ 54 ]

[ 55 ]

[ 56 ]

[ 57 ]

[ 58 ]

[ 59 ]

[ 60 ]

[ 61 ]

[ 62 ]

[ 63 ]

ให้เกิดการผลิตลิเธียมออกไซด์ [

[

[

[ 67 ]

[ 68 ]

[ 69 ]

[ 70 ]

[ 71 ]

[

[ 73 ]

[ 74 ]

[ 75 ]

[ 76 ]

[ 77 ]

[ 10 ]

[ 78 ]

[ 79 ]

[ 80 ]

[ 81 ]

[ 82 ]

[ 83 ]

[ 84 ]

[ 85 ]

[ 86 ]

[ 87 ]

88 ] เซลล์

[

[

[ 91 ]

[ 92 ]

[ 93 ]

[ 94 ]

[ 95 ]

[ 96 ]

[ 100 ]

[ 101 ]

[ 102 ]

[ 103 ]

[ 104 ]

[ 105 ]

[ 106 ]

[ 107 ]

[ 108 ]

[ 99 ]

[ 109 ]

[ 110 ]

[ 111 ]

[ 112 ]

อัตราซี	ประสิทธิภาพ	ประสิทธิภาพการชาร์จโดยประมาณ	ประสิทธิภาพการปล่อยโดยประมาณ
0.2	86%	93%	92%
0.4	82%	92%	90%
0.6	81%	91%	89%
0.8	77%	90%	86%
1.0	75%	89%	85%
1.2	73%	89%	83%

อัตราซี	ประสิทธิภาพ	ประสิทธิภาพการชาร์จโดยประมาณ	ประสิทธิภาพการปล่อยโดยประมาณ
0.2	86%	93%	92%
0.4	82%	92%	90%
0.6	81%	91%	89%
0.8	77%	90%	86%
1.0	75%	89%	85%
1.2	73%	89%	83%