92.2% พลังงานคงเหลือหลังชาร์จ 883 ครั้ง เซลล์ LMR 40Ah จาก LG-SNU

แอลจีเอนเนอร์จีโซลูชัน (LG Energy Solution) และมหาวิทยาลัยแห่งชาติโซล (Seoul National University) ยืนยันเงื่อนไขการใช้งานที่ช่วยเพิ่มความเสถียรของเซลล์แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ชนิดลิเทียมแมงกานีสริช (LMR) เซลล์ระดับ 40Ah ยังคงพลังงานเริ่มต้นไว้ได้ถึง 92.2% แม้ผ่านการชาร์จและคายประจุไปแล้ว 883 ครั้ง

แอลจีเอนเนอร์จีโซลูชันเปิดเผยเมื่อวันที่ 7 ว่า ผลการวิจัยร่วมกับทีมของศาสตราจารย์ อิม จงอู (Lim Jong-woo) จากภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยแห่งชาติโซล ช่วยเพิ่มความเป็นไปได้ในการนำแบตเตอรี่ LMR ไปใช้กับเซลล์ขนาดใหญ่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า โดยผลการศึกษานี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการนานาชาติ Nature Communications

LMR เป็นวัสดุขั้วบวกรุ่นใหม่ที่ใช้แมงกานีสเป็นส่วนประกอบหลัก จุดเด่นคือสามารถดึงพลังงานมาใช้ได้ทั้งจากโลหะทรานซิชัน อย่างนิกเกิลและแมงกานีส และจาก'ออกซิเจน'ภายในตัววัสดุเอง จึงให้ความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าปกติ

แต่ถ้าออกซิเจนที่ถูกออกซิไดซ์ระหว่างการชาร์จไม่สามารถฟื้นตัวกลับมาได้เต็มที่ในช่วงคายประจุ โครงสร้างภายในแบตเตอรี่อาจเสียหายและเกิดแก๊สสะสม ปัญหานี้ยิ่งรุนแรงขึ้นในเซลล์ขนาดใหญ่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า เพราะพื้นที่ว่างภายในมีจำกัด จนอาจนำไปสู่แรงดันภายในที่สูงขึ้นและประสิทธิภาพที่ลดลง

ทีมวิจัยร่วมพบว่าปัจจัยที่กำหนดการฟื้นตัวของออกซิเจนไม่ได้อยู่ที่แรงดันไฟฟ้าขั้นสูงสุดตอนชาร์จเพียงอย่างเดียว แต่ยังรวมถึงแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำสุดตอนคายประจุด้วย เมื่อลดแรงดันไฟฟ้าขั้นสูงสุดตอนชาร์จจาก 4.6V เหลือ 4.3V อัตราการรีดิวซ์ของออกซิเจนที่ถูกออกซิไดซ์เพิ่มขึ้นจาก 86% เป็น 97%

นอกจากนี้ เมื่อคายประจุลงไปถึง 2.0V แทนที่จะหยุดที่ 3.0V เหมือนเดิม ออกซิเจนก็แทบจะกลับคืนสู่สภาพเดิมได้เกือบสมบูรณ์ ผลนี้ชี้ว่าการปรับช่วงแรงดันไฟฟ้าทั้งฝั่งชาร์จและคายประจุไปพร้อมกัน คือกุญแจสำคัญที่ช่วยเพิ่ม'การย้อนกลับได้'ของปฏิกิริยาออกซิเจน

จากผลดังกล่าว ทีมวิจัยของแอลจีเอนเนอร์จีโซลูชันได้ออกแบบช่วงแรงดันไฟฟ้าในการใช้งานและเงื่อนไขกระบวนการกระตุ้น (activation) ของเซลล์ LMR ขนาดใหญ่ระดับ 40Ah ใหม่ทั้งหมด โดยในขั้นตอนกระตุ้นได้ใช้กระบวนการลดอุณหภูมิ ซึ่งช่วยลดการเกิดแก๊สที่มักพบในเซลล์ขนาดใหญ่

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Nature Communications ระบุว่าช่วงแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุดอยู่ที่ 4.3-2.0V ภายใต้เงื่อนไขนี้ ปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันของออกซิเจนจะอยู่ในช่วงที่ย้อนกลับได้มากขึ้น พร้อมทั้งช่วยยับยั้งการเกิดแก๊สและการเสื่อมสภาพของโครงสร้าง

งานวิจัยเดียวกันระบุว่า เซลล์ขนาด 40Ah ที่ใช้วัสดุ LMR ซึ่งมีปริมาณโคบอลต์ 0.27% โดยน้ำหนัก ให้ค่าพลังงานจำเพาะ 663Wh/kg เมื่อคำนวณจากมวลของวัสดุขั้วบวก และยังคงพลังงานไว้ได้ 92.2% หลังผ่านรอบการชาร์จ-คายประจุ 883 ครั้ง จุดสำคัญของงานวิจัยนี้คือการยืนยันอัตราการคงพลังงานในเซลล์ขนาดใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อใช้งานจริงในรถยนต์ไฟฟ้า ไม่ใช่แค่เซลล์ทดลองขนาดเล็ก

ศาสตราจารย์ อิม จงอู จากภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยแห่งชาติโซล กล่าวว่า “งานวิจัยนี้อธิบายสาเหตุการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ LMR ผ่านมุมมองการย้อนกลับได้ของออกซิเจน และแสดงให้เห็นว่าการออกแบบโพรโทคอลทางเคมีไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวก็สามารถช่วยเพิ่มความเสถียรของเซลล์ได้” คำกล่าวนี้สะท้อนว่าความเสถียรของเซลล์ขนาดใหญ่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับตัววัสดุเพียงอย่างเดียว แต่ยังขึ้นอยู่กับการออกแบบเงื่อนไขการชาร์จ-คายประจุด้วย

เจ้าหน้าที่จากแอลจีเอนเนอร์จีโซลูชันกล่าวว่า “งานวิจัยครั้งนี้ช่วยยับยั้งปัญหาการเกิดแก๊ส ซึ่งเป็นโจทย์สำคัญของแบตเตอรี่ LMR ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และแสดงให้เห็นว่าเซลล์ขนาดใหญ่ก็สามารถมีอายุการใช้งานที่มั่นคงได้” ทางบริษัทระบุว่าผลสำเร็จครั้งนี้อาจเป็นพื้นฐานสำคัญสำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ LMR รุ่นต่อไป

ในแวดวงแบตเตอรี่ ความหนาแน่นพลังงาน ความปลอดภัย และต้นทุน ถือเป็นโจทย์หลักที่ต้องแก้ไปพร้อมกันสำหรับเซลล์ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า วัสดุตระกูล LMR ที่เพิ่มสัดส่วนแมงกานีสถูกมองว่าตอบโจทย์เหล่านี้ได้ แต่การนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์จริงและเงื่อนไขการผลิตจำนวนมากยังต้องผ่านการตรวจสอบเพิ่มเติมต่อไป