อะลูมินา “ผู้กอบกู้” วัสดุแบตเตอรี่แคโทด

โครงสร้างพื้นฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยขั้วบวก ขั้วลบ อิเล็กโทรไลต์ ตัวคั่น และเปลือกแบตเตอรี่ วัสดุขั้วบวกเป็นวัสดุหลักในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งกำหนดความหนาแน่นพลังงาน แพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้า อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่

ปัจจุบัน แม้ว่าลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2), ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn2O4), ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4) และวัสดุเทอร์นารี (Li-Ni-Co-Mn-O) จะเป็นวัสดุขั้วบวกสี่ชนิดที่วางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่วัสดุเหล่านี้ยังมีข้อบกพร่องบางประการในด้านความปลอดภัย ประสิทธิภาพการใช้งาน การเก็บรักษาความจุ และด้านอื่นๆ เพื่อปรับปรุงเสถียรภาพของวัสดุขั้วบวก นักวิจัยใช้วิธีการดัดแปลงที่แตกต่างกัน เช่น การเจือปน การเคลือบผิว และสองวิธีที่เหมือนกัน

อะลูมินาช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของขั้วบวกได้อย่างไร

การเคลือบอะลูมินาบนวัสดุขั้วบวกสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของวงจร อายุการใช้งาน และเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุขั้วบวกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผลกระทบหลักของ Al2O3 ต่อวัสดุอิเล็กโทรดบวก ได้แก่

(1) สารกำจัดไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF)

LiPF6 เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่นิยมใช้ในอิเล็กโทรไลต์ ภายใต้แรงดันไฟฟ้าสูง ลิเธียมเฮกซะฟลูออโรฟอสเฟต (LiPF6) จะทำปฏิกิริยากับน้ำปริมาณเล็กน้อยเพื่อสร้าง HF

(2) เกราะป้องกันทางกายภาพ

การเคลือบชั้น Al2O3 บนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวกสามารถแยกวัสดุอิเล็กโทรดบวกออกจากอิเล็กโทรไลต์ และยับยั้งการเกิดปฏิกิริยาข้างเคียงที่เป็นอันตรายระหว่างวัสดุอิเล็กโทรดบวกและอิเล็กโทรไลต์

(3) การปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุอิเล็กโทรดบวก

เสถียรภาพทางความร้อนเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียม การปล่อยออกซิเจนในวัสดุอิเล็กโทรดบวกจะทำให้อิเล็กโทรไลต์เกิดปฏิกิริยาออกซิไดซ์ ส่งผลให้เสถียรภาพทางความร้อนลดลง

(4) การปรับปรุงอัตราการแพร่ของลิเธียมไอออน

แม้ว่าอะลูมิเนียมออกไซด์จะไม่ใช่ตัวนำอิเล็กตรอนและไอออนที่ดีนัก แต่มันสามารถทำปฏิกิริยากับลิเธียมตกค้างบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวกในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ เพื่อสร้าง LiAlO2 ซึ่งเป็นตัวนำไอออนที่ดีและสามารถเพิ่มอัตราการแพร่ของลิเธียมไอออนได้ สาเหตุหลักมาจาก LiAlO2 ช่วยลดอุปสรรคด้านพลังงานการแพร่ของลิเธียมไอออน

(5) ปฏิกิริยากับ LiPF6 เพื่อสร้างสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ LiPO2F2

อะลูมิเนียมออกไซด์ที่เคลือบบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวกสามารถทำปฏิกิริยากับเกลือลิเธียม (LiPF6) ในอิเล็กโทรไลต์เพื่อสร้างลิเธียมไดฟลูออโรฟอสเฟต (LiPO2F2) ซึ่งเป็นสารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่เสถียร ซึ่งสามารถปรับปรุงเสถียรภาพของวงจร ความปลอดภัย และประสิทธิภาพอัตราของวัสดุอิเล็กโทรดบวกได้อย่างมีนัยสำคัญ

(6) การยับยั้งปรากฏการณ์จาห์น-เทลเลอร์

ปรากฏการณ์จาห์น-เทลเลอร์เป็นสาเหตุหลักของการละลายของไอออนแมงกานีสในวัสดุอิเล็กโทรดบวก ซึ่งอาจทำให้โครงสร้างของวัสดุอิเล็กโทรดบวกพังทลายและขัดขวางการแพร่กระจายของไอออนลิเธียม ส่งผลให้ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุอิเล็กโทรดบวกลดลง

ห้าเทคโนโลยีการเคลือบหลัก

วิธีการชุบ: เติมวัสดุอิเล็กโทรดบวกลงในสารละลายหรือสารละลายที่มีสารตั้งต้นอะลูมิเนียมเพื่อให้เกิดเป็นเนื้อเดียวกัน จากนั้นทำให้แห้งและเผาด้วยแคลไซน์เพื่อสร้างวัสดุอิเล็กโทรดบวกที่เคลือบด้วยอะลูมินา

วิธีการตกตะกอน: ผสมวัสดุอิเล็กโทรดบวกและสารละลาย เช่น อะลูมิเนียมไนเตรตหรืออะลูมิเนียมคลอไรด์ ให้ทั่ว ปรับค่า pH ของสารละลายที่ผสมเพื่อสร้างชั้นเคลือบบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวก และสุดท้ายสร้างวัสดุอิเล็กโทรดบวกที่เคลือบด้วยอะลูมินาโดยการกรอง ล้าง อบแห้ง และอบด้วยความร้อน

กระบวนการเคลือบแบบแห้ง: สามารถผสมอะลูมินาและวัสดุอิเล็กโทรดบวกเข้าด้วยกันโดยตรงเพื่อสร้างชั้นเคลือบหยาบบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวก แม้ว่าจะไม่สามารถเคลือบได้อย่างสม่ำเสมอบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวก แต่ก็ยังมีผลดีต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของวัสดุอิเล็กโทรดบวก

วิธีการสปัตเตอร์: วิธีการสปัตเตอร์ใช้ไอออน Ar+ พุ่งไปที่วัสดุเป้าหมาย (Al) เพื่อให้อะตอมของ Al ถูกสปัตเตอร์และสะสมบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวก

เทคโนโลยีการเคลือบชั้นอะตอม (ALD): การใช้ไตรเมทิลอะลูมิเนียมและวัสดุอื่นๆ เป็นแหล่งของอะลูมิเนียม อะลูมิเนียมออกไซด์จะถูกเคลือบบนพื้นผิวของวัสดุอิเล็กโทรดบวก สามารถควบคุมความหนาได้อย่างแม่นยำ และการเพิ่มความหนาของการเคลือบทำได้โดยการเพิ่มจำนวนรอบของ ALD