วัสดุแบตเตอรี่และอิเล็กโทรด

วัสดุแบตเตอรี่และอิเล็กโทรดคือของแข็งที่เก็บพลังงานเคมีไฟฟ้า: โครงสร้างตัวรับที่สามารถรับและปล่อยไอออนได้แบบผันกลับได้ จับคู่กับอิเล็กโทรไลต์ที่นำพาไอออนระหว่างโครงสร้างเหล่านั้น ในขณะที่อิเล็กตรอนไหลผ่านวงจรภายนอก

Definition

วัสดุอิเล็กโทรดแบตเตอรี่คือของแข็งที่เก็บประจุโดยปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าแบบผันกลับได้ ซึ่งมักจะเป็นการแทรกและการถอดไอออน; เมื่อรวมกับอิเล็กโทรไลต์ที่นำไอออนได้ วัสดุเหล่านี้จะประกอบกันเป็นเซลล์ที่เก็บและปล่อยพลังงานเคมีในรูปของพลังงานไฟฟ้า

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเคมีของวัสดุสำหรับแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ โดยเน้นที่ระบบลิเธียมไอออน: แคโทดแบบชั้น, สปิเนล และโพลีแอนไอออนิก; แอโนดคาร์บอนและโลหะผสม; และอิเล็กโทรไลต์ชนิดของเหลว, โพลีเมอร์ และของแข็ง หัวข้อนี้จะกล่าวถึงว่าโครงสร้างผลึกและเคมีรีดอกซ์ของอิเล็กโทรดกำหนดแรงดันไฟฟ้า, ความจุ และอัตราการทำงานอย่างไร, การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่เกิดขึ้นพร้อมกับการหมุนเวียนประจุ, และส่วนต่อประสานที่ควบคุมความเสถียรและอายุการใช้งาน

Core questions

• อิเล็กโทรดแบบแทรกสอดเก็บประจุแบบผันกลับได้อย่างไร?
• อะไรเป็นตัวกำหนดแรงดันไฟฟ้าและความจุของวัสดุอิเล็กโทรด?
• การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในการหมุนเวียนประจุจำกัดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้อย่างไร?
• อิเล็กโทรไลต์ชนิดของเหลว, โพลีเมอร์ และของแข็งมีบทบาทอย่างไร?

Key concepts

• ตัวรับแบบแทรกสอด
• วัสดุแคโทดและแอโนด
• แรงดันไฟฟ้าและความจุของเซลล์
• อิเล็กโทรไลต์
• ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง
• อายุการใช้งานและการเสื่อมสภาพ

Key theories

เคมีไฟฟ้าแบบแทรกสอด

ตัวรับแบบชั้นและโครงสร้างจะแทรกไอออน เช่น ลิเธียม เข้าไปในตำแหน่งว่างแบบผันกลับได้ พร้อมกับการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันของโลหะทรานซิชันของตัวรับ; ศักย์รีดอกซ์และจำนวนตำแหน่งจะกำหนดแรงดันไฟฟ้าและความจุของเซลล์

อิเล็กโทรไลต์และส่วนต่อประสาน

อิเล็กโทรไลต์ต้องนำไอออนที่ใช้งานได้ในขณะที่กั้นอิเล็กตรอนและคงความเสถียรต่ออิเล็กโทรดทั้งสอง; ปฏิกิริยาที่ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรด-อิเล็กโทรไลต์จะสร้างชั้นป้องกันที่ปกป้องเซลล์ แต่จะใช้ความจุและควบคุมอายุการใช้งาน

Mechanisms

เมื่อคายประจุ ไอออนจะออกจากอิเล็กโทรดหนึ่ง, เคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์, และแทรกเข้าไปในอีกอิเล็กโทรดหนึ่ง ในขณะที่อิเล็กตรอนเดินทางผ่านวงจรภายนอกและโลหะทรานซิชันของตัวรับเปลี่ยนสถานะออกซิเดชัน; การชาร์จจะย้อนกลับกระบวนการนี้ โดยโครงสร้างตัวรับจะขยายและหดตัว และฟิล์มที่ส่วนต่อประสานจะก่อตัวและพัฒนาขึ้น

Clinical relevance

วัสดุแบตเตอรี่และอิเล็กโทรดเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา, ยานยนต์ไฟฟ้า, และการจัดเก็บพลังงานขนาดกริด; ความก้าวหน้าในเคมีของแคโทด, แอโนด, และอิเล็กโทรไลต์ที่เพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน, ปรับปรุงความปลอดภัย, และยืดอายุการใช้งาน เป็นหัวใจสำคัญของการใช้พลังงานไฟฟ้าและการรวมพลังงานหมุนเวียน

History

การค้นพบอิเล็กโทรดแบบแทรกสอดของ Whittingham ในทศวรรษ 1970 และการระบุแคโทดออกไซด์แบบชั้นและโพลีแอนไอออนิกของ Goodenough ในทศวรรษ 1980 เมื่อรวมกับแอโนดคาร์บอนของ Yoshino ได้ก่อให้เกิดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ในปี 1991 ตั้งแต่นั้นมา เคมีของวัสดุที่ต่อเนื่องได้ขับเคลื่อนการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของความหนาแน่นของพลังงานและการค้นหาเคมีของแข็งและเคมีที่นอกเหนือจากลิเธียม

Key figures

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

Seminal works

• armand2008
• whittingham2004

Frequently asked questions

การแทรกสอดในแบตเตอรี่หมายถึงอะไร?

การแทรกสอดคือการแทรกไอออน เช่น ลิเธียม เข้าไปในตำแหน่งว่างของโครงสร้างผลึกตัวรับแบบผันกลับได้โดยไม่ทำลายโครงสร้างนั้น ตัวรับจะรับและปล่อยไอออนเหล่านี้เมื่อแบตเตอรี่ชาร์จและคายประจุ ซึ่งเป็นวิธีการที่อิเล็กโทรดแบบชาร์จได้หลายชนิดเก็บประจุ

ทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงสูญเสียความจุเมื่อเวลาผ่านไป?

การหมุนเวียนประจุซ้ำๆ ทำให้เกิดความล้าของโครงสร้างตัวรับอิเล็กโทรดทีละน้อย, การสูญเสียลิเธียมที่ใช้งานได้ไปยังฟิล์มที่ส่วนต่อประสาน, และปฏิกิริยาข้างเคียงที่ช้ากับอิเล็กโทรไลต์ สิ่งเหล่านี้สะสมกันเพื่อลดปริมาณประจุที่เซลล์สามารถเก็บได้ ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง