แบตเตอรี่และเซลล์ทุติยภูมิ

แบตเตอรี่เก็บพลังงานไฟฟ้าไว้ในปฏิกิริยาอิเล็กโทรดแบบผันกลับได้; เซลล์ทุติยภูมิ (ชนิดชาร์จได้) สามารถหมุนเวียนการใช้งานซ้ำได้โดยการย้อนกลับปฏิกิริยาเหล่านั้นด้วยกระแสไฟฟ้าชาร์จจากภายนอก

Definition

อุปกรณ์ที่เก็บพลังงานในสถานะทางเคมีของอิเล็กโทรดและปล่อยออกมาเป็นกระแสไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยารีดอกซ์; ในเซลล์ทุติยภูมิ ปฏิกิริยาสามารถผันกลับได้ ทำให้สามารถชาร์จและคายประจุซ้ำได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมหลักการทำงานของแบตเตอรี่: ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดที่เก็บและปล่อยประจุ, ความแตกต่างระหว่างเซลล์ปฐมภูมิ (ใช้ครั้งเดียว) และเซลล์ทุติยภูมิ (ชาร์จได้), โครงสร้างของเซลล์ลิเธียมไอออนแบบอินเตอร์คาเลชัน, ตัวชี้วัดประสิทธิภาพหลัก เช่น ความจุ, ความหนาแน่นพลังงาน, และอายุการใช้งาน, รวมถึงสาเหตุของการลดลงของความจุและการเสื่อมสภาพ ครอบคลุมตั้งแต่เคมีตะกั่ว-กรดและนิกเกิลแบบดั้งเดิมไปจนถึงระบบลิเธียมไอออนสมัยใหม่

Core questions

• ปฏิกิริยาอิเล็กโทรดเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้าได้อย่างไร?
• อะไรคือสิ่งที่แยกเซลล์ทุติยภูมิแบบชาร์จได้ออกจากเซลล์ปฐมภูมิแบบใช้ครั้งเดียว?
• เคมีของการแทรกตัวของลิเธียมไอออน (lithium-ion intercalation chemistry) ทำให้เกิดความหนาแน่นพลังงานสูงได้อย่างไร?
• กระบวนการใดที่ทำให้ความจุลดลงและจำกัดอายุการใช้งาน?

Key theories

เคมีไฟฟ้าของการแทรกตัว (Intercalation electrochemistry)

ในเซลล์ลิเธียมไอออน ลิเธียมไอออนจะแทรกตัวเข้าและออกจากอิเล็กโทรดโฮสต์แบบชั้นหรือโครงสร้างได้อย่างผันกลับได้ในระหว่างการหมุนเวียนการใช้งาน โดยเก็บประจุโดยไม่ทำให้เนื้ออิเล็กโทรดละลาย ซึ่งช่วยให้อายุการใช้งานยาวนานและความหนาแน่นพลังงานสูง

การผันกลับได้และการเสื่อมสภาพ (Reversibility and degradation)

อายุการใช้งานขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาอิเล็กโทรดสามารถผันกลับได้อย่างสมบูรณ์เพียงใด; ปฏิกิริยาข้างเคียง เช่น การเติบโตของชั้นรอยต่ออิเล็กโทรไลต์ของแข็ง (solid-electrolyte interphase), การเคลือบลิเธียม (lithium plating), และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง จะทำให้วัสดุที่ใช้งานได้และอิเล็กโทรไลต์ถูกใช้ไป ซึ่งเป็นสาเหตุของการลดลงของความจุ

Clinical relevance

แบตเตอรี่แบบชาร์จได้เป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา, ยานยนต์ไฟฟ้า, อุปกรณ์ฝังทางการแพทย์, และการจัดเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้า; ความหนาแน่นพลังงาน, ความปลอดภัย, และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้พลังงานไฟฟ้าและการนำพลังงานหมุนเวียนมาใช้ ซึ่งเป็นแรงผลักดันให้เกิดการวิจัยวัสดุอย่างเข้มข้น

History

แพลงเต้ (Planté) ประดิษฐ์เซลล์ตะกั่ว-กรดแบบชาร์จได้ในปี 1859; วิตติงแฮม (Whittingham) แสดงให้เห็นถึงการแทรกตัวของลิเธียม (lithium intercalation) ในทศวรรษ 1970, กู๊ดอินัฟ (Goodenough) ระบุแคโทดลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ในปี 1980, และโยชิโนะ (Yoshino) สร้างเซลล์ลิเธียมไอออนที่ใช้งานได้จริงเป็นครั้งแรก ซึ่งถูกนำออกสู่ตลาดในปี 1991 และได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2019

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino
• Gaston Planté

Seminal works

• winter2004
• goodenough2013
• newman2004

Frequently asked questions

ทำไมแบตเตอรี่แบบชาร์จได้จึงสูญเสียความจุเมื่อเวลาผ่านไป?

การหมุนเวียนการใช้งานซ้ำๆ ทำให้เกิดปฏิกิริยาข้างเคียงและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอย่างช้าๆ เช่น การเติบโตของชั้นรอยต่ออิเล็กโทรไลต์ของแข็ง, การสูญเสียลิเธียมที่สามารถหมุนเวียนได้, และการแตกร้าวของอิเล็กโทรด ซึ่งจะกำจัดวัสดุที่ใช้งานได้อย่างถาวรและเพิ่มความต้านทานภายใน

อะไรทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเก็บพลังงานได้มาก?

ลิเธียมมีน้ำหนักเบาและให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์สูง และวัสดุโฮสต์แบบแทรกตัวช่วยให้ลิเธียมไอออนสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างอิเล็กโทรดได้อย่างผันกลับได้โดยมีการรบกวนโครงสร้างน้อย ทำให้รวมกันได้ทั้งแรงดันไฟฟ้าสูง, ความจุสูง, และอายุการใช้งานยาวนาน