แบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์: การเพิ่มประสิทธิภาพนำไปสู่ยุคพลังงานใหม่

สิ่งสำคัญที่ควรทราบ:

• แบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ (KSB) ให้ความหนาแน่นพลังงานตามทฤษฎีสูงถึง 1023 Wh · kg-1 โดยใช้ประโยชน์จากทรัพยากรโพแทสเซียมและซัลเฟอร์ที่อุดมสมบูรณ์และคุ้มค่า
• ความท้าทายต่างๆ เช่น การใช้กำมะถันต่ำและจลนศาสตร์ที่ช้าของการแปลงโพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์ จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขเพื่อควบคุมศักยภาพของ KSB ให้เต็มประสิทธิภาพ
• แนวทางที่เป็นนวัตกรรมใหม่ เช่น คอมโพสิตทังสเตน-คาร์บอน ได้รับการพัฒนาเพื่อปรับปรุงการแปลงตัวกลางโพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ และลดปัญหาต่างๆ เช่น การเป็นพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา
• Metal-Organic Frameworks (MOF) กำลังถูกสำรวจเพื่อสร้างโฮสต์การทำงานที่สามารถจัดการไอออนของซัลเฟอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มความเสถียรและประสิทธิภาพของ KSB

ในการแสวงหาโซลูชันการจัดเก็บพลังงานที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพ การสำรวจเทคโนโลยีแบตเตอรี่ทดแทนจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ในบรรดาแบตเตอรี่เหล่านี้ แบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ (KSB) กลายเป็นคู่แข่งที่น่าหวัง โดยนำเสนอการผสมผสานระหว่างความหนาแน่นของพลังงานสูงและความคุ้มทุนที่ได้มาจากทรัพยากรที่มีอยู่อย่างอุดมสมบูรณ์ของโพแทสเซียมและซัลเฟอร์ บทความนี้จะเจาะลึกถึงแนวทางที่เป็นนวัตกรรมและความก้าวหน้าล่าสุดในเคเอสบี เทคโนโลยีโดยเฉพาะอย่างยิ่งการมุ่งเน้นไปที่ความท้าทายและแนวทางแก้ไขที่เกี่ยวข้องกับเสถียรภาพและประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยปูทางสำหรับการเปลี่ยนแปลงที่อาจเกิดขึ้นในภูมิทัศน์ของระบบกักเก็บพลังงาน

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ขั้นสูง

หากมองข้ามม่านแห่ง. Li-ion เชิงพาณิชย์ก็มีหลายอย่าง แบตเตอรี่ สถาปัตยกรรมที่มีอยู่มากมายที่มีศักยภาพเนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานทางทฤษฎีสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อย่างไรก็ตามด้วยเหตุผลหลายประการเหล่านี้ แบตเตอรี่ ไม่เคยเห็นแสงสว่างในเทคโนโลยีสำหรับผู้บริโภคของเรามาก่อน เนื่องจากระดับความไม่เสถียรในระยะยาวและการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ที่แตกต่างกัน 

เนื่องจากความต้องการพลังงานที่สูงขึ้นและระบบกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นมีมากขึ้น จึงมีความสนใจเกิดขึ้นมากขึ้น สถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ เกินกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป หนึ่งในนั้นคือแบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ (KSB) 

ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีของเคเอสบีได้เน้นย้ำถึงศักยภาพของคอมโพสิตตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ทังสเตนในการปรับโพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์ให้เหมาะสม ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการปรับปรุงเคมีไฟฟ้าของเคเอสบี แนวทางที่เป็นนวัตกรรมนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อจัดการกับความท้าทายที่มีอยู่ใน KSB เช่น การใช้กำมะถันต่ำและจลนพลศาสตร์ที่ช้าของการแปลงโพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์ โดยการอำนวยความสะดวกให้กับกระบวนการรีดอกซ์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นภายในแบตเตอรี่ อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับงานวิจัยนี้ใน Nature Communications

เคเอสบีมีความหนาแน่นพลังงานตามทฤษฎีสูง เนื่องจากมีความจุสูงของปฏิกิริยารีดอกซ์ซัลเฟอร์ที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ และได้รับการขนานนามว่ามีความหนาแน่นพลังงานตามทฤษฎีที่ 1023 Wh กิโลกรัม-1 ข้อดีอีกประการหนึ่งของเคเอสบีคือมีต้นทุนต่ำเนื่องจากมีโพแทสเซียมและซัลเฟอร์ในปริมาณมากตามธรรมชาติในโลก—และความพร้อมของวัสดุเป็นสิ่งที่ถูกโยนทิ้งบ่อยครั้งเมื่อเร็ว ๆ นี้ซึ่งเป็นสาเหตุของความกังวลกับขนาด- ขึ้นจาก แบตเตอรี่ EV และการขุดโลหะจำกัดสำหรับระบบแบตเตอรี่ 

ความท้าทายที่ต้องเอาชนะ: ปัญหาด้านความมั่นคงของเคเอสบี

อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับระบบแบตเตอรี่ที่ไม่ใช่เชิงพาณิชย์อื่นๆ ยังคงมีปัญหาด้านเสถียรภาพโดยธรรมชาติหลายประการที่ต้องแก้ไข ก่อนที่เคเอสบีจะรู้ตัวว่าจะกลายเป็นระบบแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคเสียอีก ความท้าทายมากมายของเคเอสบีเกี่ยวข้องกับแคโทดกำมะถัน เนื่องจากเป็นปัจจัยที่เป็นอันตรายระหว่างการทำงานปกติ 

ตัวอย่างเช่น โดยทั่วไปแล้ว ซัลเฟอร์แคโทดจะมีการใช้ซัลเฟอร์ต่ำกว่า และระบบเหล่านี้มักจะมีจลนศาสตร์ที่ช้าและช้าต่อการแปลงโพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์ นอกจากนี้ยังมีปัญหาเกี่ยวกับการสับเปลี่ยนของไอออน (สิ่งที่แบตเตอรี่กำมะถันทั้งหมดแสดงอยู่ เพียงแค่ดูปัญหาของ แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ ตลอดหลายปีที่ผ่านมา) และการสลายตัวของสารประกอบโพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ในแบตเตอรี่ เมื่อไอออนหลุดออกจากรูพรุนของแคโทดและก่อตัวเป็นสายโซ่โมเลกุลยาวที่เป็นตัวกลาง พวกมันจะปิดกั้นรูพรุนของแคโทด (ซึ่งไอออนจะเข้าและออกระหว่างการปั่นจักรยาน) ทำให้ประสิทธิภาพทางเคมีต่ำและอัตราความล้มเหลวอย่างรวดเร็วของเซลล์ไฟฟ้าเคมี .  

เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ที่ใช้ซัลเฟอร์อื่นๆ มีความท้าทายในการเกิดสารตัวกลางเนื่องจากการสับเปลี่ยนของไอออนซัลเฟอร์ ความท้าทายเหล่านี้ยังจำกัดความจุและอายุการใช้งานของ KSB เช่นเดียวกับที่มีในแบตเตอรี่อื่นๆ ดังนั้น การค้นหาวิธีการกักเก็บไอออนของซัลเฟอร์เพื่อไม่ให้พวกมันกระจัดกระจายและก่อตัวเป็นตัวกลางที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าและความเสถียรของเซลล์ถือเป็นกุญแจสำคัญ สิ่งนี้อยู่ในรูปแบบของการใช้โฮสต์ฟังก์ชันเพื่อกักเก็บไอออนของซัลเฟอร์ 

วัสดุที่มีคาร์บอนเป็นหลักเป็นวัสดุโฮสต์ทั่วไป 

มีการใช้โฮสต์ฟังก์ชันการทำงานที่แตกต่างกันสำหรับ KSB ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แต่ส่วนใหญ่เป็นวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นหลัก เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี เคมีพื้นผิวที่หลากหลาย และความพรุนอเนกประสงค์ที่วัสดุคาร์บอนจำนวนมากนำเสนอ ในแนวทางเหล่านี้ การจำกัดอะตอมของกำมะถันเป็นตัวขับเคลื่อนหลักและทำได้โดยการกักเก็บอะตอมของกำมะถันทางกายภาพภายในเครือข่ายคาร์บอนของโฮสต์ อย่างไรก็ตาม เครือข่ายคาร์บอนจำนวนมากเหล่านี้จำเป็นต้องเจือด้วยอะตอมไนโตรเจนเพื่อปรับปรุงการโหลดซัลเฟอร์เนื่องจากข้อจำกัดของปริมาตรรูพรุน แต่การเติมวัสดุเหล่านี้ทำให้อะตอมของซัลเฟอร์เกาะแน่นมากขึ้นภายในเครือข่ายคาร์บอน ก่อนหน้านี้มีรายงานว่าการใช้วัสดุคาร์บอนบางชนิด เช่น โลหะคาร์ไบด์ และอะตอมของโลหะเดี่ยวอื่นๆ มีผลในการดูดซับที่ดีต่อโมเลกุลโพลีซัลไฟด์ 

ในการแสวงหาการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ (KSB) นักวิจัยได้ใช้แบบจำลองทางทฤษฎีขั้นสูงและเทคนิคการคัดกรองด้วยคอมพิวเตอร์ รูปภาพต่อไปนี้ “คำแนะนำทางทฤษฎีและการคัดกรองสำหรับการออกแบบโฮสต์ที่มีซัลเฟอร์” สรุปกระบวนการที่เข้มงวดที่ดำเนินการเพื่อระบุวัสดุและโครงร่างที่มีแนวโน้มมากที่สุด แนวทางเชิงกลยุทธ์นี้เป็นหัวใจสำคัญในการจัดการกับความท้าทายโดยธรรมชาติของเคเอสบี โดยมีเป้าหมายที่จะเพิ่มประสิทธิภาพและความเสถียรผ่านการออกแบบโฮสต์กำมะถันที่เป็นนวัตกรรมใหม่

a การวัดสัมพรรคภาพซึ่งแสดงเป็นพลังงานการจับสำหรับ K2S4 ทั่วทั้งซับสเตรตต่างๆ รวมถึง WSA@NC, โลหะ W (110), W2C (102), WC (101), WN (112), WO3 (100), WS2 (002) และ WSe2 (006) พร้อมด้วยเค้าโครงโครงสร้างที่เกี่ยวข้อง (แสดงในส่วนแทรก) b เส้นทางที่มีพลังสำหรับการเคลื่อนไหวของ K2S2 ทั่วทั้ง NC, WSA@NC และ W2C (102) c ขั้นที่อธิบายไว้ – ขั้นต้น ขั้นกลาง และขั้นสุดท้าย – ของการเดินทางของ K2S2 d การแสดงแบบกราฟิกหรือที่เรียกว่าแผนผังภูเขาไฟ ซึ่งแสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างหน่วยเมตริกพลังงานกับกระบวนการคู่ของการแปลงและการย้ายถิ่นของ KPS e แผนภาพสรุปกรอบแนวคิดเบื้องหลังลูกผสม WSA-W2C ในฐานะโฮสต์ของกำมะถัน ซึ่งมุ่งเป้าไปที่การปรับปฏิกิริยารีดอกซ์ของซัลเฟอร์ภายใน KSB ให้เหมาะสม ตามที่อนุมานจากการวิเคราะห์ทางทฤษฎี ข้อมูลพื้นฐานสำหรับข้อมูลเชิงลึกเหล่านี้สามารถเข้าถึงได้ในไฟล์ข้อมูลต้นฉบับ

แนวทางทังสเตน-คาร์บอนพัฒนาขึ้นเพื่อรับมือกับความท้าทาย 

ความพยายามก่อนหน้านี้ในการกักเก็บไอออนกำมะถันได้เปิดเผยว่าการแนะนำไซต์ที่มีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาในวัสดุโฮสต์จะช่วยเพิ่มการแปลงตัวกลางโพแทสเซียม - ซัลเฟอร์กลับไปสู่สถานะไอออนดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม เคมีไฟฟ้าโพแทสเซียม-ซัลเฟอร์เป็นพื้นที่ที่ซับซ้อน และนักวิจัยเชื่อว่าควรพิจารณาปัจจัยอื่นๆ นอกเหนือจากการแปลงตัวเร่งปฏิกิริยาเพียงอย่างเดียว ปัญหาหนึ่งที่พวกเขาเชื่อว่าถูกมองข้ามคือความเป็นไปได้ที่จะเกิดพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากผลิตภัณฑ์รีดิวซ์บางชนิดเป็นฉนวนในธรรมชาติและย่อยสลายยาก ดังนั้นพวกมันจึงสามารถสะสมบนตำแหน่งตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้เกิดพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา (การปิดใช้งานพื้นที่ตัวเร่งปฏิกิริยา) . 

การแนะนำทังสเตนอะตอมเดี่ยวและทังสเตนคาร์ไบด์ภายในกรอบคาร์บอนที่เจือด้วยไนโตรเจนได้รับการระบุว่าเป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มในการปรับปรุงการโยกย้ายและการแปลงโพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์ วิธีการแบบสองฟังก์ชันนี้ไม่เพียงแต่กระตุ้นกระบวนการแปลงสภาพเท่านั้น แต่ยังป้องกันการสะสมของผลิตภัณฑ์รีดิวซ์เฉื่อย จึงช่วยลดความเสี่ยงของการเป็นพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา ความก้าวหน้าดังกล่าวเน้นย้ำถึงความสำคัญของนวัตกรรมทางวัตถุในการเอาชนะปัญหาด้านความมั่นคงของเคเอสบี รายละเอียดเพิ่มเติมสามารถพบได้ในการศึกษาต้นฉบับ

เป็นที่เชื่อกันว่าการย้ายอะตอมเมื่อพวกมันถูกสลายตัวที่บริเวณตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถป้องกันการสะสมของอะตอมเฉื่อยได้ แนวทางนี้คิดว่าจะช่วยป้องกันการขยายตัวของพื้นที่แคโทดที่ไม่ได้ใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากพื้นที่นี้ถูกมองข้ามไปก่อนหน้านี้ นักวิจัยจึงมองหาการสร้างโฮสต์กำมะถันที่ไม่เพียงแต่ทำลายสายพันธุ์กลางเท่านั้น แต่ยังกำจัดผลิตภัณฑ์รีดิวซ์ที่เกิดขึ้นออกจากบริเวณตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้งานอยู่อีกด้วย 

โซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรม: กรอบงานโลหะ-อินทรีย์ (MOF)

นักวิจัยได้ใช้กรอบโลหะ-อินทรีย์ (MOF) ซึ่งเป็นวัสดุลูกผสมที่มีรูพรุนซึ่งใช้สารประกอบเชิงซ้อนของไอออนของโลหะเพื่อกำหนดขนาดและรูปร่างของรูพรุน รวมกับตัวเชื่อมโยงอินทรีย์และโมเลกุลลิแกนด์ที่ก่อตัวเป็นโครงข่ายที่มีรูพรุนที่เหลือ ใช้เพื่อโต้ตอบกับโฮสต์ภายในรูขุมขน 

นักวิจัยได้สร้างสภาพแวดล้อมลิแกนด์ที่แตกต่างกันสองแบบภายใน MOF เพื่อยึดและทำหน้าที่รูขุมขนด้วยกลุ่มที่ใช้ทังสเตน เพื่อสร้างลักษณะการทำงานสำหรับการสลายตัวและการกำจัดขั้นกลาง ในด้านหนึ่ง กลุ่มทังสเตนคาร์ไบด์ภายในรูพรุนถูกใช้เป็นจุดเร่งปฏิกิริยาเพื่อสลายโซ่โพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์ให้เป็นโซ่สั้น K2S และ K2S2 จากนั้นอะตอมทังสเตนจะเร่งสิ่งเหล่านี้ออกจากตำแหน่งตัวเร่งปฏิกิริยา เนื่องจากมีอุปสรรคด้านพลังงานในการอพยพลดลง วิธีนี้จะหลีกเลี่ยงการสะสมของ K2S ที่บริเวณตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำงานอยู่ หลีกเลี่ยงการเป็นพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา และช่วยให้สายพันธุ์ K2S สลายตัวติดต่อกันได้ 

การทำงานร่วมกันระหว่างทังสเตนคาร์ไบด์และอะตอมทังสเตนเดี่ยว ตามที่เปิดเผยผ่านการคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) มีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงประสิทธิภาพของ KSB การรวมกันนี้ไม่เพียงแต่อำนวยความสะดวกในการสลายโซ่โพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังรับประกันการโยกย้ายอย่างรวดเร็วของสายพันธุ์โซ่สั้นที่เกิดขึ้นออกจากตำแหน่งตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่และอายุการใช้งานที่ยืนยาว ค้นพบเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบของการวิจัยนี้ต่อผลการดำเนินงานของเคเอสบี

ทางเลือกของการใช้ทังสเตนคาร์ไบด์และอะตอมทังสเตนเดี่ยวถูกกำหนดโดยการคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) เนื่องจากการศึกษาเหล่านี้ไม่เพียงแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาและการย้ายถิ่นเท่านั้น แต่ยังเพิ่มอัตราการปั่นจักรยานและประสิทธิภาพอีกด้วย 

จากทฤษฎีสู่การปฏิบัติ: ตระหนักถึงแบตเตอรี่ที่เสริมประสิทธิภาพ MOF

เมื่อนำไปใช้จริง แบตเตอรี่ถูกสร้างขึ้นโดยใช้โฮสต์ MOF ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างแบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงได้ ลักษณะทางเทคนิคของแบตเตอรี่ประกอบด้วยการใช้กำมะถัน 89.8% ความจุ 1504 mAh g-1 ความสามารถด้านอัตรา 1059 mAh g-1 ที่ 1675 mA g-1 และความเสถียรของวงจรการทดสอบ 200 รอบการชาร์จ (ซึ่งก็คือ สูงแต่ไม่เป็นไปตามมาตรฐาน Li-ion เชิงพาณิชย์) 

โดยปกติแล้ว จำนวนรอบที่แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้นั้นเป็นสิ่งที่จะต้องได้รับการปรับปรุงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้เมื่อเวลาผ่านไปเพื่อให้เป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ เนื่องจากระบบ Li-ion สมัยใหม่จำนวนมากสามารถใช้งานได้มากกว่า 1000 รอบแล้ว แต่จุดมุ่งเน้นใน การวิจัยคือการป้องกันไม่ให้โมเลกุลตัวกลางโพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ส่งผลต่อประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่  

ด้วยเหตุนี้ การวิจัยจึงประสบความสำเร็จ และคล้ายคลึงกับการวิจัยประเภทต่างๆ ที่จำเป็นขั้นพื้นฐานในการเอาชนะประจุโพลีซัลไฟด์ของแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ ขณะนี้แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์กำลังถูกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์หลังจากเผชิญกับความท้าทายประเภทนี้มาหลายปี ดังนั้นหากการวิจัยยังคงดำเนินต่อไปเกี่ยวกับแบตเตอรี่โพแทสเซียม-ซัลเฟอร์ ก็อาจมีศักยภาพที่จะทำเชิงพาณิชย์ได้ในอนาคตเช่นกัน 

การใช้งานจริงของคอมโพสิตตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีทังสเตนเป็นส่วนประกอบหลักใน KSB ได้แสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงที่สำคัญในการใช้กำมะถัน กำลังการผลิต ความสามารถด้านอัตรา และเสถียรภาพในการปั่นจักรยาน ผลลัพธ์เหล่านี้ไม่เพียงแต่มีส่วนสนับสนุนองค์ความรู้ด้านเทคโนโลยีแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังปูทางสำหรับความพยายามในการวิจัยและพัฒนาในอนาคตโดยมีเป้าหมายไปที่การทำการค้าของเคเอสบีในฐานะทางเลือกที่เป็นไปได้แทนแบตเตอรี่ Li-ion แบบดั้งเดิม การสำรวจโซลูชันเชิงนวัตกรรมดังกล่าวอย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงาน เข้าถึงบทความวิจัยฉบับเต็มเพื่อรับข้อมูลเชิงลึกที่ครอบคลุม

อ้างอิง: 

Song W. et al., การเพิ่มประสิทธิภาพโพแทสเซียมโพลีซัลไฟด์สำหรับแบตเตอรี่โพแทสเซียมซัลเฟอร์ประสิทธิภาพสูง, การสื่อสารทางธรรมชาติ, 15, (2024), 1005