×
เมื่อความต้องการทั่วโลกสำหรับโซลูชันการจัดเก็บพลังงานที่ยั่งยืนและมีต้นทุนแข่งขันได้เพิ่มสูงขึ้นอย่างไม่เคยมีมาก่อน แบตเตอรี่ไอออนโซเดียม (Na-ion) ได้ก้าวขึ้นมาเป็นทางเลือกที่มีผลกระทบสูงแทนแพลตฟอร์มลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม ด้วยวัตถุดิบที่หาง่าย มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่ดีขึ้น และมีสมรรถนะที่น่าประทับใจ ทำให้เทคโนโลยีแบตเตอรี่ Na-ion ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในภาคการขนส่งไฟฟ้า การจัดเก็บพลังงานระดับโครงข่ายไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค แต่เบื้องหลังข้อเสนอเชิงนวัตกรรมเหล่านี้ กลับมีคำถามสำคัญที่รอคำตอบอยู่: กระบวนการผลิตและองค์ประกอบของวัสดุในเซลล์ขั้นสูงเหล่านี้มีลักษณะอย่างไรกันแน่? ในบทความนี้ เราจะเจาะลึกกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ไอออนโซเดียมอย่างครบวงจร โดยเน้นแต่ละขั้นตอนสำคัญที่เปลี่ยนวัตถุดิบให้กลายเป็นหน่วยจัดเก็บพลังงานที่มีสมรรถนะสูงและสามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้
รากฐานของแบตเตอรี่ทุกชนิดอยู่ที่เคมีภายนในของมัน โดยแบตเตอรี่ไอออนโซเดียมส่วนใหญ่ใช้องค์ประกอบที่มีอยู่มากในธรรมชาติ เช่น โซเดียม เหล็ก แมงกานีส และคาร์บอน ซึ่งต่างจากลิเธียมที่มีแหล่งกำเนิดจำกัดทางภูมิศาสตร์และเสี่ยงต่อความผันผวนของห่วงโซ่อุปทาน โซเดียมสามารถหาได้ทั่วไปในน้ำทะเลและแหล่งแร่ทั่วโลก ขั้วบวกโดยทั่วไปใช้ออกไซด์โลหะเปลี่ยนผ่านแบบชั้นบาง (เช่น NaNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂) สารคล้ายพรัสเซียนบลู หรือสารประกอบโพลีแอนไอออนิก ขณะที่ขั้วลบมักใช้คาร์บอนแข็งที่ได้จากชีวมวลหรือยางปิโตรเลียม อิเล็กโทรไลต์ประกอบด้วยเกลือโซเดียม เช่น NaClO₄ หรือ NaPF₆ ที่ละลายในตัวทำละลายคาร์บอเนตอินทรีย์ ก่อนเข้าสู่สายการผลิต วัสดุกิจกรรมทั้งหมดจะต้องผ่านกระบวนการกลั่นให้บริสุทธิ์ การอบแห้ง และการปรับขนาดอนุภาคอย่างเข้มงวด เพื่อให้มั่นใจถึงพฤติกรรมทางไฟฟ้าเคมีที่สม่ำเสมอ
เมื่อวัตถุดิบต้นทางได้รับการเตรียมเรียบร้อยแล้ว จะถูกผสมเป็นของเหลวเนื้อเดียวกันที่ออกแบบมาเฉพาะสำหรับขั้วบวกหรือขั้วลบ โดยควบคุมสัดส่วนอย่างเข้มงวด ของเหลวสำหรับขั้วบวกจะประกอบด้วยวัสดุออกฤทธิ์ สารเติมแต่งที่ช่วยนำไฟฟ้า (เช่น คาร์บอนแบล็ก) และตัวยึดเกาะชนิดพอลิเมอร์ (โดยทั่วไปคือ โซเดียมคาร์บอกซีเมทิลเซลลูโลส หรือ PVDF) ในตัวทำละลายที่เหมาะสม พร้อมคนให้เข้ากันอย่างทั่วถึงเพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละองค์ประกอบกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ เช่นเดียวกัน ของเหลวสำหรับขั้วลบจะผสมคาร์บอนแข็งกับตัวยึดเกาะและสารนำไฟฟ้า เพื่อปรับความหนืดให้เหมาะสมสำหรับกระบวนการถัดไป จากนั้นส่วนผสมเหล่านี้จะถูกเคลือบอย่างแม่นยำลงบนแผ่นเก็บกระแสไฟฟ้า ซึ่งทำจากอลูมิเนียม (สำหรับขั้วบวก) หรือทองแดง (สำหรับขั้วลบ) โดยใช้ระบบเคลือบที่ควบคุมด้วยเครื่องจักรอัตโนมัติ เช่น slot-die หรือ doctor-blade การมีความหนาสม่ำเสมอและการยึดเกาะที่แข็งแรง เป็นตัวชี้วัดคุณภาพที่สำคัญมาก เพราะหากมีความไม่สม่ำเสมอ อาจก่อให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่ ความต้านทานภายในเพิ่มสูงขึ้น หรือความไม่สมดุลของความจุในระหว่างกระบวนการชาร์จ-ปล่อยประจุ ส่งผลให้สมรรถนะและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลงในท้ายที่สุด
หลังจากการเคลือบ ขั้วไฟฟ้าที่ยังเปียกจะถูกส่งผ่านเตาอบหลายโซนที่ควบคุมอย่างแม่นยำ เพื่อระเหยตัวทำละลายตกค้างออกอย่างค่อยเป็นค่อยไป จนเหลือชั้นคอมโพสิตที่มีโครงสร้างพรุนแต่มีความแข็งแรงทางกลบนแผ่นเก็บประจุ การอบแห้งในขั้นตอนนี้จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิ การไหลของอากาศ และระยะเวลาในการพักในแต่ละโซนของเตาอย่างระมัดระวัง เพื่อป้องกันการเกิดรอยแตก การหดตัว หรือการลอกชั้นเคลือบออกจากกัน การอบแห้งอย่างรวดเร็วและไม่ควบคุมอาจทำให้ไอของตัวทำละลายถูกกักอยู่ภายในชั้น จนเกิดข้อบกพร่องที่ส่งผลเสียต่อความสมบูรณ์ของโครงสร้างและประสิทธิภาพทางอิเล็กโทรเคมี ในทางตรงกันข้าม กระบวนการอบแห้งแบบขั้นตอนจะช่วยให้การกำจัดตัวทำละลายเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ รักษารูปแบบโครงสร้างพรุนตามที่ออกแบบไว้ ซึ่งมีความสำคัญต่อการเคลื่อนที่ของไอออน จากนั้น ขั้วไฟฟ้าที่แห้งสนิทจะเข้าสู่กระบวนการรีดอัด (calendering) ซึ่งเป็นกระบวนการรีดภายใต้แรงดันสูงเพื่ออัดชั้นเคลือบให้มีความหนาแน่นและปริมาณพรุนเหมาะสมตามเคมีเฉพาะของแบตเตอรี่ ขั้นตอนนี้ใช้ลูกกลิ้งที่มีความแม่นยำในการกระจายแรงกดอย่างสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวของขั้วไฟฟ้า เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดเรียงของวัสดุที่ใช้ทำงาน สารนำไฟฟ้า และตัวยึดเกาะ การรีดอัดที่เหมาะสมไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้าของไอออนโดยการลดระยะทางการแพร่ของไอออน แต่ยังช่วยให้เกิดการสัมผัสอย่างแน่นหนาระหว่างอนุภาคต่าง ๆ กับแผ่นเก็บประจุด้วย ความก้าวหน้าเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อความสามารถในการชาร์จ-ปล่อยพลังงานได้รวดเร็ว ความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น ทำให้กระบวนการรีดอัดเป็นขั้นตอนสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน
แถบขั้วไฟฟ้าขนาดยาวต่อเนื่องจะถูกตัดแบ่งเป็นแถบแคบๆ ให้สอดคล้องกับขนาดของเซลล์เป้าหมาย เครื่องตัดด้วยเลเซอร์หรือเครื่องตัดเชิงกลจะทำการตัดขั้วไฟฟ้าให้ได้รูปร่างที่แม่นยำ เช่น รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าสำหรับเซลล์แบบปริซึม หรือแถบยาวสำหรับรูปแบบทรงกระบอก มีการตรวจสอบคุณภาพขอบอย่างใกล้ชิด เพราะเศษคมหรือความไม่สม่ำเสมออาจก่อให้เกิดการลัดวงจรภายในระหว่างการประกอบเซลล์
เซลล์โซเดียมไอออนถูกประกอบในห้องแห้งที่มีความชื้นต่ำ (<1% RH) เพื่อป้องกันปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดจากความชื้น โดยกระบวนการเริ่มจากการจัดเรียงซ้อนหรือม้วนชั้นของแอนโอด-แผ่นแยก-แคโทดเข้าด้วยกันเป็น "กองเซลล์" แผ่นแยก—โดยทั่วไปเป็นฟิล์มโพลีโอเลฟินแบบมีรูพรุนขนาดเล็กที่เคลือบด้วยสารที่เข้ากันได้กับอิเล็กโทรไลต์—ทำหน้าที่เป็นตัวกั้นที่นำไอออนและป้องกันการสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า สำหรับเซลล์แบบกระเป๋า (pouch cells) กองเซลล์จะถูกใส่เข้าไปในเปลือกฟิล์มลามิเนตอลูมิเนียม ส่วนแบบทรงกระบอกหรือแบบปริซึมจะบรรจุอยู่ภายในกระป๋องโลหะ
ในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมอย่างเคร่งครัด เซลล์จะถูกเติมอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้โซเดียมเข้าไปภายใต้สภาวะสุญญากาศ ขั้นตอนนี้ต้องการความแม่นยำเป็นพิเศษ: หากอิเล็กโทรไลต์ไม่เพียงพอจะทำให้การเคลื่อนที่ของไอออนไม่ดี ในขณะที่หากมากเกินไปอาจส่งผลต่อความปลอดภัยและความต้านทานการพองตัว เมื่อเติมเรียบร้อยแล้ว เซลล์จะถูกปิดผนึกอย่างแน่นหนา—โดยใช้การเชื่อมด้วยเลเซอร์สำหรับเปลือกโลหะ หรือปิดผนึกด้วยความร้อนสำหรับแบบกระเป๋า—เพื่อรักษารูปทรงและความสมบูรณ์ตลอดอายุการใช้งาน
เซลล์ที่เพิ่งประกอบใหม่จะผ่านกระบวนการ "การก่อรูป" (formation) ซึ่งเป็นรอบการชาร์จและคายประจุครั้งแรกอย่างช้าๆ เพื่อกระตุ้นอินเตอร์เฟสทางไฟฟ้าเคมี และสร้างชั้นอินเตอร์เฟสของอิเล็กโทรไลต์แข็ง (SEI) ที่มีเสถียรภาพบนขั้วบวก การมีชั้น SEI นี้มีความสำคัญต่อความสามารถในการชาร์จ-คายประจุซ้ำได้ในระยะยาวและความปลอดภัย หลังจากกระบวนการก่อรูป เซลล์จะเข้าสู่ช่วงการบำบัด (aging) โดยปกติจะใช้เวลาหลายวันที่อุณหภูมิสูงขึ้น เพื่อตรวจหาข้อบกพร่องในช่วงแรกและทำให้พารามิเตอร์ประสิทธิภาพมีความเสถียร
แต่ละเซลล์จะได้รับการทดสอบอย่างเข้มงวดในด้านความจุ ค่าความต้านทานไฟฟ้า อัตราการคายประจุเอง และการปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย (เช่น การเจาะด้วยตะปู การชาร์จเกิน) โดยพิจารณาจากเกณฑ์ประสิทธิภาพ เซลล์จะถูกจัดเกรดและคัดแยกตามการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง — แบบกำลังสูงสำหรับ EV แบบพลังงานสูงสำหรับระบบกักเก็บพลังงานแบบคงที่ เป็นต้น
ตั้งแต่การคัดเลือกวัตถุดิบไปจนถึงการตรวจสอบขั้นสุดท้าย กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ไอออนโซเดียมรวมเอาวิทยาศาสตร์วัสดุ วิศวกรรมความแม่นยำ และการควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวดเข้าด้วยกัน เมื่อการผลิตขยายตัวทั่วโลก นวัตกรรมที่ต่อเนื่องในด้านการออกแบบขั้วไฟฟ้า การจัดสูตรอิเล็กโทรไลต์ และระบบอัตโนมัติจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ลดต้นทุน และยืนยันบทบาทของเทคโนโลยี Na-ion ในการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาดมากยิ่งขึ้น
เขตนิคมอุตสาหกรรมจวี่กว่าง เขตเทียนเฉิง เมืองยวี่ชิง เมืองเหวินโจว มณฑลเจ้อเจียง
ลิขสิทธิ์ © ห้างหุ้นส่วนจำกัดเจ้อเจียงหมิงถู่ เทคโนโลยีไฟฟ้า สงวนลิขสิทธิ์ทั้งหมด นโยบายความเป็นส่วนตัว บล็อก
EN
ข่าวเด่น