ผลิตเซลล์แบตเตอรี่: โซลูชันใหม่แก้ปัญหา Lithium Dendrites

การผลิตเซลล์แบตเตอรี่ Lithium-Ion เป็นกระบวนการซับซ้อนที่ต้องควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวด ตั้งแต่การผสมกราไฟต์ไปจนถึงการเคลือบฟอยล์ ผู้ผลิตในเครือข่าย EV Supply Chain และชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ของยุคใหม่ต้องทำความเข้าใจเทคโนโลยีเหล่านี้ เพื่อรับมือกับความท้าทายในการลดของเสียและประหยัดพลังงานในสายการผลิตจริง

การเปลี่ยนผ่านสู่ยานยนต์ไฟฟ้าและการกักเก็บพลังงานจะเกิดขึ้นไม่ได้หากขาดเซลล์แบตเตอรี่ ซึ่งการผลิตเซลล์ Lithium-Ion นั้นเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและใช้เม็ดเงินลงทุนระดับหลายร้อยล้านยูโร อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ในปัจจุบันจึงต้องเร่งพัฒนานวัตกรรมเพื่อลดของเสีย ประหยัดพลังงาน ร่นเวลาการผลิต ไปจนถึงการแก้ปัญหาความปลอดภัยจากวัสดุที่เสี่ยงต่อการติดไฟ

กระบวนการผลิตเซลล์ Lithium-Ion มาตรฐาน

หน่วยย่อยที่สุดของเซลล์ Lithium-Ion มีโครงสร้างพื้นฐานคล้ายคลึงกัน ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้วและแผ่นกั้น (Separator) โดยมีขั้วแอโนดเป็นขั้วลบและขั้วแคโทดเป็นขั้วบวก ระบบจะทำงานผ่านอิเล็กโทรไลต์ที่นำไอออน ข้อมูลจาก RWTH Aachen และ VDMA ระบุว่ากระบวนการเริ่มต้นจากการผสมวัตถุดิบ สูตรขั้วแอโนดจะใช้กราไฟต์ 90% คาร์บอนแบล็ค 5% พร้อมตัวทำละลายสูตรน้ำ สารยึดเกาะ และสารเติมแต่ง ส่วนขั้วแคโทดจะใช้สารประกอบลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ 90% กระบวนการผสมแบ่งเป็นการผสมแห้งและการกระจายตัวแบบเปียก ก่อนส่งผ่านระบบท่อภายใต้ความดันบรรยากาศ

จากนั้นคือการเคลือบและการอบแห้ง สารผสมจะถูกเคลือบบนแผ่นฟอยล์โลหะ (ทองแดงสำหรับแอโนดและอะลูมิเนียมสำหรับแคโทด) ผ่านหัวฉีดแบบ ‘Schlitzdüse’ ลงบนแผ่นฟอยล์กว้างสูงสุด 900 มิลลิเมตร ก่อนเข้าเตาอบแบบ ‘Schwebebahntrockner’ เพื่อระเหยตัวทำละลายออกตามโซนอุณหภูมิที่กำหนด ตามด้วยกระบวนการรีดอัด (Calendering) ด้วยลูกกลิ้งหมุนเพื่อเพิ่มความหนาแน่น

ขั้นตอนถัดมาคือ ‘Slitting’ เพื่อตัดม้วนอิเล็กโทรดขนาดใหญ่ให้เป็นม้วนย่อยกว้าง 100-300 มิลลิเมตร ทำการอบแห้งแบบสุญญากาศ แล้วตัดขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์หรือตัดด้วยเลเซอร์ จากนั้นจึงม้วนประกอบขั้วแอโนด แคโทด และแผ่นกั้นเข้าด้วยกัน เติมอิเล็กโทรไลต์ และทำการชาร์จ-ดิสชาร์จครั้งแรก ซึ่งจะเกิดก๊าซที่ต้องถูกรวบรวมและแยกออก ท้ายสุดคือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า หากแรงดันคงที่แสดงว่าเซลล์สมบูรณ์และพร้อมบรรจุ

ทางเลือกใหม่: แบตเตอรี่ Sodium-Ion

แม้ Lithium-Ion จะเป็นมาตรฐาน แต่โครงการ ‘SIB:DE Entwicklung’ จากรัฐบาลเยอรมนีซึ่งรวมพันธมิตรทั้งภาคอุตสาหกรรมและงานวิจัย 25 ราย กำลังพัฒนาทางเลือกใหม่อย่างแบตเตอรี่ Sodium-Ion เพราะโซเดียมมีราคาถูกกว่าลิเธียม หาง่ายกว่า (พบได้ในเกลือแกง) และมีความปลอดภัยสูงกว่า เป้าหมายหลักคือการพัฒนาเซลล์ขนาดใหญ่ที่พร้อมจำหน่ายในตลาดเพื่อสร้างระบบนิเวศการผลิตที่ยั่งยืน และลดการพึ่งพาแหล่งวัตถุดิบ

ยกระดับความปลอดภัยด้วยแบตเตอรี่ Solid State

ปัญหาสำคัญของ Lithium-Ion คือ อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นสารอินทรีย์คาร์บอเนตนั้นติดไฟได้ แบตเตอรี่ Solid-State Battery จึงเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าเพราะใช้อิเล็กโทรไลต์แบบแข็ง และหากใช้แอโนดโลหะ Lithium แบบบางร่วมด้วยก็จะให้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม การพัฒนาเทคโนโลยีนี้สู่ตลาดเจอปัญหาหลัก 2 ประการ ได้แก่ การเกิด ‘Lithium Dendrites’ หรือโครงสร้างโลหะคล้ายเข็มที่แทงทะลุอิเล็กโทรไลต์จนเกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายใน และความไม่เสถียรทางเคมีไฟฟ้าบริเวณรอยต่อระหว่างแอโนดโลหะและอิเล็กโทรไลต์แข็ง เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมวิจัยนำโดย Mario El Kazzi จากสถาบัน Paul Scherrer Institut (PSI) ได้พัฒนาเทคนิคการผลิตแบบใหม่

“เราได้รวมสองแนวทางเข้าด้วยกัน เพื่อทำให้ตัวอิเล็กโทรไลต์มีความหนาแน่นและสร้างความเสถียรที่รอยต่อกับลิเธียม” El Kazzi อธิบายในวารสาร Advanced Science

Argyrodite และการซินเทอร์ด้วยความร้อนต่ำ

ทีมวิจัยเลือกใช้อิเล็กโทรไลต์แข็งชนิด ‘Argyrodite’ (Li₆PS₅Cl) ที่มีคุณสมบัตินำ Lithium-Ion ได้ดีเยี่ยม แต่ปัญหาเดิมคือการทำให้วัสดุอัดแน่นจนไม่มีช่องว่างให้โครงสร้างเข็มแทงทะลุ แทนที่จะใช้กระบวนการซินเทอร์ด้วยความร้อนสูงแบบดั้งเดิม ทีมวิจัยใช้การบีบอัดด้วยแรงดันปานกลางและอุณหภูมิเพียง 80 °C

กระบวนการนี้ทำให้รูพรุนและช่องว่างขนาดเล็กปิดสนิท อนุภาคยึดเกาะกันแน่นโดยไม่เสียความเสถียรทางเคมี เกิดเป็นโครงสร้างจุลภาคที่ต้านทานการทะลุทะลวงของ ‘Lithium Dendrites’ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ เพื่อให้เซลล์ทำงานได้เสถียรเมื่อมีการชาร์จหรือดิสชาร์จอย่างรวดเร็ว ทีมวิจัยได้ระเหย Lithium Fluorite (LiF) เคลือบเป็นชั้นฟิล์มบางเฉียบ 65 นาโนเมตรบนพื้นผิวลิเธียมในสภาวะสุญญากาศ เพื่อทำหน้าที่เป็นชั้น ‘Passivation’ ป้องกันอิเล็กโทรไลต์แข็งสัมผัสกับ Lithium โดยตรง ช่วยลดการสร้าง Lithium ที่เสื่อมสภาพ และทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันทางกายภาพเพิ่มเติม

การทดสอบในเซลล์กระดุม (Coin Cell) ให้ผลลัพธ์ที่น่าประทับใจ Jinsong Zhang นักศึกษาปริญญาเอกและผู้เขียนหลักของงานวิจัยระบุว่า “ความเสถียรของรอบการทำงานที่แรงดันไฟฟ้าสูงนั้นน่าทึ่งมาก” โดยหลังจากการชาร์จและดิสชาร์จผ่านไป 1,500 รอบ เซลล์ยังคงเก็บความจุได้ถึง 75% ถือเป็นข้อพิสูจน์ครั้งแรกว่าการซินเทอร์แบบนุ่มนวลร่วมกับชั้นเคลือบผิวสามารถแก้ไขความท้าทายที่ยากที่สุดของแบตเตอรี่โซลิดสเตตได้สำเร็จ