แบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล (LMB) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมชนิดชาร์จใหม่ได้ซึ่งทำจากโลหะโซลิดสเตตแทนลิเธียมไอออน เป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ความหนาแน่นพลังงานสูงที่มีแนวโน้มมากที่สุด แม้ว่าจะมีคุณลักษณะที่เป็นประโยชน์บางประการ แต่แบตเตอรี่เหล่านี้ก็มีข้อจำกัดหลายประการ ซึ่งรวมถึงความหนาแน่นของพลังงานที่ไม่ดีและปัญหาด้านความปลอดภัย
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้พยายามที่จะเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ด้วยการแนะนำการออกแบบเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมทางเลือกอื่นที่ปราศจากแอโนด การออกแบบที่ปราศจากขั้วบวกนี้สามารถช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัล
นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์อุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติและ เทคโนโลยี เมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้ทำการศึกษาโดยมีเป้าหมายเพื่อเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ปราศจากแอโนด และแนะนำแบตเตอรี่ลิเธียมที่ปราศจากแอโนดที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงและมีอายุการใช้งานยาวนานใหม่โดยอาศัยการใช้ Li2โอ ผู้เสียสละ
สถาปัตยกรรมแบตเตอรีเต็มเซลล์ที่ปราศจากแอโนดมักใช้แคโทดแบบลิเธียมอย่างสมบูรณ์พร้อมตัวเก็บกระแสไฟทองแดงแอโนดเปลือย อย่างน่าทึ่ง ทั้งความหนาแน่นพลังงานกราวิเมตริกและปริมาตรของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ปราศจากขั้วบวกสามารถขยายได้ถึงขีดจำกัดสูงสุด สถาปัตยกรรมเซลล์ที่ปราศจากแอโนดมีข้อดีอื่นๆ มากกว่าการออกแบบ LMB แบบเดิม ซึ่งรวมถึงต้นทุนที่ต่ำกว่า ความปลอดภัยที่มากขึ้น และขั้นตอนการประกอบเซลล์ที่ง่ายกว่า
เพื่อปลดล็อกศักยภาพของ LMB ที่ปราศจากแอโนดอย่างเต็มประสิทธิภาพ อันดับแรก นักวิจัยควรหาวิธีที่จะทำให้เกิดการกลับตัว/ความเสถียรของการชุบโลหะ Li-metal ในขณะที่หลายคนพยายามแก้ปัญหานี้ด้วยวิศวกรรมและคัดเลือกอิเล็กโทรไลต์ที่เหมาะสมกว่า แต่ความพยายามเหล่านี้ส่วนใหญ่ยังไม่ประสบความสำเร็จ
คนอื่นๆ ยังได้สำรวจศักยภาพของการใช้เกลือหรือสารเติมแต่งที่สามารถปรับปรุงการพลิกกลับของการชุบโลหะลิเธียม/การปอกได้ หลังจากทบทวนความพยายามครั้งก่อนนี้ นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติได้เสนอให้ใช้ Li2O เป็นเครื่องสังเวยซึ่งบรรจุไว้ล่วงหน้าบน LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 พื้นผิว
"มันเป็นเรื่องท้าทายที่จะตระหนักถึงความสามารถในการย้อนกลับของ Li สูงโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงอ่างเก็บน้ำ Li ที่ จำกัด (โดยปกติคือศูนย์ลิเธียมส่วนเกิน) ในการกำหนดค่าเซลล์" นักวิจัยเขียนไว้ในบทความของพวกเขา “ในการศึกษานี้ เราได้แนะนำ Li2O เป็นเครื่องสังเวยที่โหลดไว้ล่วงหน้าบน LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 แคโทดซึ่งเป็นแหล่งกำเนิด Li เพิ่มเติมเพื่อชดเชยการสูญเสีย Li ที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระหว่างการปั่นจักรยานระยะยาวในเซลล์ที่ปราศจากขั้วบวกเริ่มต้น”
นอกจากจ้าง Li . แล้ว2O ในฐานะตัวแทนการเสียสละ นักวิจัยได้เสนอให้ใช้สารเติมแต่งอีเทอร์ฟลูออโรโพรพิลเพื่อทำให้นิวคลีโอฟิลิก O เป็นกลาง2- ซึ่งถูกปล่อยออกมาในระหว่างการออกซิเดชันของ Li2O และป้องกันการวิวัฒนาการเพิ่มเติมของก๊าซO2 เป็นผลมาจากการผลิตอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ LiF เคลือบบนพื้นผิวของแคโทดของแบตเตอรี่
“เราแสดงให้เห็นว่า O2– สายพันธุ์ที่ปล่อยผ่าน Li2O ออกซิเดชันถูกทำให้เป็นกลางโดยเสริมฤทธิ์กันโดยสารเติมแต่งอีเทอร์ที่มีฟลูออไรด์” นักวิจัยอธิบายในเอกสารของพวกเขา “สิ่งนี้นำไปสู่การสร้างชั้นที่ใช้ LiF ที่ส่วนต่อประสานแคโทด/อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งจะทำให้พื้นผิวแคโทดผ่านพ้นไปและยับยั้งการสลายตัวออกซิเดชันที่เป็นอันตรายของตัวทำละลายอีเทอร์”
จากการออกแบบที่พวกเขาคิดค้น Yu Qiao และทีมงานที่เหลือของสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอุตสาหกรรมขั้นสูงแห่งชาติสามารถรับรู้เซลล์กระเป๋าที่ไม่มีขั้วบวกที่มีอายุการใช้งานยาวนาน 2.46 Ah เซลล์นี้มีความหนาแน่นของพลังงานกราวิเมตริกที่ 320 Wh kg-1, รักษาความจุ 80% หลังจาก 300 รอบการทำงาน
ในอนาคตลิเธียมที่ปราศจากขั้วบวก แบตเตอรี่ แนะนำโดยกลุ่มวิจัยนี้สามารถช่วยในการเอาชนะข้อจำกัดที่รายงานโดยทั่วไปของ LMB นอกจากนี้ การออกแบบยังสามารถสร้างแรงบันดาลใจในการสร้างแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ที่ใช้ลิเธียมซึ่งมีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้น
