Lithium ion battery

สถานะล่าสุด: เผยแพร่แล้ว
คำศัพท์: Lithium ion battery
ศัพท์บัญญัติ:
อักษรย่อ:
ความหมาย: แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน
รายละเอียด: แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนเป็นตัวเก็บพลังงานไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ทำให้อุปกรณ์ที่เคยมีขนาดใหญ่ เทอะทะ มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา พกพาสะดวก รวมถึงมีระยะเวลาใช้งานก่อนจะประจุไฟใหม่ยาวนานขึ้นมาก แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนมีความสำคัญต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมรถยนต์ใช้พลังงานไฟฟ้า เช่น รถยนต์ไฮบริด รถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด และรถยนต์ไฟฟ้า และยังมีความพยายามนำแบตเตอรี่ชนิดนี้ไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น ด้านอวกาศ ด้านการทหาร ด้านการไฟฟ้าและสาธารณูปโภค

แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนประกอบด้วยส่วนประกอบหลักที่สำคัญ 4 ส่วนคือ

1. ขั้วไฟฟ้า ได้แก่ ขั้วแคโทดและขั้วแอโนด

2. แผ่นกั้นในแบตเตอรี่ (seperator) ช่วยป้องกันกระแสลัดวงจรโดยทำให้ขั้วแคโทดไม่สัมผัสกับขั้วแอโนด

3. อิเล็กโทรไลต์ เป็นสารละลายที่มีเกลือของลิเทียมผสมอยู่ เป็นตัวนำที่ยอมให้ไอออนผ่านแต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนไหลผ่าน ดังนั้นจึงเป็นตัวนำไอออนิกที่ดีแต่เป็นตัวนำอิเล็กทรอนิกที่ไม่ดี

4. ตัวรับกระแส (current collector) เป็นโลหะตัวนำทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนไหลผ่านออกสู่วงจรภายนอก และเกิดการนำพลังงานไฟฟ้าไปใช้ประโยชน์ต่างๆ

ความสามารถในการกักเก็บพลังงานของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่สำคัญขึ้นอยู่กับชนิดและสมบัติของวัสดุที่นำมาทำขั้วแคโทดและแอโนด

วัสดุสำหรับทำขั้วแคโทด

วัสดุสำหรับทำขั้วแคโทดในปัจจุบันมี 3 ประเภทใหญ่ๆ คือ วัสดุประเภทเลเยอร์ (layered structure) เช่น LiCoO2 วัสดุประเภทสปิเนล (spinel structure) เช่น LiMn2O4 และวัสดุประเภทโอลิวีน (Olivine structure) เช่น LiFePO4 วัสดุทำขั้วแคโทดของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่ใช้ในอุปกรณ์พกพาส่วนใหญ่จะใช้วัสดุ LiCoO2 เพราะโคบอลต์เป็นธาตุที่มีปริมาณน้อย ราคาสูง และไม่ปลอดภัย ส่วนงานที่ต้องการความปลอดภัยสูงและใช้วัสดุปริมาณมาก เช่น รถยนต์พลังงานไฟฟ้า การเก็บพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน จะใช้วัสดุประเภทสปิเนลคือ LiMn2O4 ซึ่งเป็นวัสดุที่มีราคาถูกกว่าและปลอดภัยกว่า LiCoO2 (เนื่องจากใช้แมงกานีสเป็นธาตุหลักแทนโคบอลต์) และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่มีข้อเสียในเรื่องโครงสร้างที่ซับซ้อน มีกลไกการเปลี่ยนเฟสขณะใช้งานของวัสดุที่ซับซ้อน และไม่เสถียรเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง (เกินกว่า 50 องศาเซลเซียส) ในขณะที่วัสดุประเภทโอลิวีน LiFePO4 ถึงแม้มีความสามารถในการเก็บพลังงานได้น้อยกว่าทั้งสปิเนลและเลเยอร์ แต่เป็นวัสดุที่มีราคาถูก เพราะธาตุเหล็กหาง่ายและราคาถูกกว่าโคบอลต์มาก และยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีความเสถียรมากที่อุณหภูมิสูง และมีความปลอดภัยสูง วัสดุ LiFePO4 เหมาะสำหรับใช้งานในอุปกรณ์ที่ต้องการความปลอดภัยสูง เช่น รถยนต์พลังงานไฟฟ้า หรือต้องการวัสดุปริมาณมากแต่ราคาไม่แพง เช่น สำหรับเก็บพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน และสำหรับงานใหญ่อื่นๆ

วัสดุสำหรับทำขั้วแอโนด

วัสดุที่ใช้ทำขั้วแอโนดส่วนใหญ่ใช้วัสดุประเภทคาร์บอน เช่น แกรไฟต์ โดยเมื่อประจุไฟ ลิเทียมไอออนจะเข้าไปอัดตัวอยู่ในโครงสร้างของแกรไฟต์ในรูปของสารประกอบ LixC6 ซึ่งมีความปลอดภัยสูงกว่าการใช้โลหะลิเทียมทำขั้วไฟฟ้าโดยตรง นอกจากวัสดุประเภทคาร์บอน วัสดุอื่นๆ ก็สามารถนำไปใช้ทำขั้วแอโนด เช่น LixSi LixGe และวัสดุที่มีขนาดระดับนาโนเมตร เช่น ซิลิคอนนาโนไวร์ (silicon nanowires) ได้ค้นพบว่าเหมาะสำหรับทำขั้วแอโนด เนื่องจากมีความสามารถในการรับลิเทียมไอออนมากกว่าแกรไฟต์กว่า 10 เท่า แต่วัสดุนี้มีข้อเสียคือการขยายตัวอย่างมากเมื่อถูกอัดลิเทียมไอออนเข้าไปในโครงสร้าง ซึ่งส่งผลให้วัสดุมีโอกาสเสื่อมสภาพและเสียหายได้ง่าย ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง ส่วนวัสดุอีกชนิดหนึ่งที่ใช้ทำขั้วแอโนดได้คือ วัสดุ Li4Ti5O12 เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษคือ ไม่มีการหดหรือขยายตัวเมื่อถูกอัดลิเทียมไออนเข้าไปในโครงสร้าง ส่งผลให้อายุการใช้งานของแบเตอรี่ที่ทำจากวัสดุนี้ยาวนาน แต่วัสดุชนิดนี้มีข้อเสียคือมีความสามารถในการอัดลิเทียมไอออนได้น้อยเมื่อเทียบกับสารประกอบโลหะของลิเทียม ดังนั้นจึงจำเป็นต้องเพิ่มปริมาณของวัสดุที่ทำขั้วแอโนด ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มสูงขึ้นและแบตเตอรี่มีขนาดและน้ำหนักที่มากขึ้นด้วย

แหล่งข้อมูล
1. นงลักษณ์ มีทอง. "วัสดุสำหรับแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน" เทคโนโลยีวัสดุ. 60 : 52-60 : กรกฎาคม - กันยายน 2553.
2. Sirintorn C.. (2555, มกราคม 18). "อัพเดทเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม." [ออนไลน์]. เข้าถึงได้จาก : http://www.nstda.or.th/prs/index.php/lithum (วันที่ค้นข้อมูล : 23 กรกฎาคม 2557).
เอกสารแหล่งที่มา: ไม่ระบุ
กลุ่ม: วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี