ทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมจึงใช้เปลือกอลูมิเนียม?

เหตุผลหลักที่แบตเตอรี่ลิเธียมใช้เปลือกอะลูมิเนียมสามารถวิเคราะห์ได้อย่างละเอียดจากประเด็นต่างๆ ต่อไปนี้ คือ น้ำหนักเบา ทนทานต่อการกัดกร่อน มีการนำไฟฟ้าที่ดี ประสิทธิภาพการประมวลผลที่ดี ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดี เป็นต้น

1.น้ำหนักเบา

• ความหนาแน่นต่ำ: ความหนาแน่นของอลูมิเนียมอยู่ที่ประมาณ 2.7 g/cm³ ซึ่งต่ำกว่าความหนาแน่นของเหล็กซึ่งอยู่ที่ประมาณ 7.8 g/cm³ อย่างเห็นได้ชัด ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูงและมีน้ำหนักเบา เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และยานยนต์ไฟฟ้า เปลือกอลูมิเนียมสามารถลดน้ำหนักโดยรวมและปรับปรุงความทนทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

2. ทนทานต่อการกัดกร่อน

• ความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง: แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม เช่น วัสดุสามองค์ประกอบและลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ค่อนข้างสูง (3.0-4.5V) ด้วยศักยภาพนี้ อะลูมิเนียมจะสร้างฟิล์มพาสซีฟอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) หนาแน่นบนพื้นผิวเพื่อป้องกันการกัดกร่อนเพิ่มเติม เหล็กถูกกัดกร่อนได้ง่ายจากอิเล็กโทรไลต์ภายใต้แรงดันสูง ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลงหรือรั่วไหล

• ความเข้ากันได้ของอิเล็กโทรไลต์: อะลูมิเนียมมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีกับอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ เช่น LiPF₆ และไม่เกิดปฏิกิริยาได้ง่ายในระหว่างการใช้งานในระยะยาว

3. การนำไฟฟ้าและการออกแบบโครงสร้าง

• การเชื่อมต่อตัวเก็บประจุไฟฟ้า: อะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับตัวเก็บประจุไฟฟ้าขั้วบวก (เช่น แผ่นอลูมิเนียม) เปลือกอะลูมิเนียมสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับตัวเก็บประจุไฟฟ้าขั้วบวก ทำให้โครงสร้างภายในเรียบง่ายขึ้น ลดความต้านทาน และปรับปรุงประสิทธิภาพการส่งพลังงาน

• ข้อกำหนดด้านการนำไฟฟ้าของเปลือก: ในการออกแบบแบตเตอรี่บางแบบ เปลือกอะลูมิเนียมเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางกระแสไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ทรงกระบอก ซึ่งมีทั้งฟังก์ชันด้านการนำไฟฟ้าและการป้องกัน

4. ประสิทธิภาพการประมวลผล

• ความเหนียวที่ดีเยี่ยม: อลูมิเนียมปั๊มและยืดได้ง่าย และเหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ที่มีรูปร่างซับซ้อน เช่น ฟิล์มอลูมิเนียมพลาสติกสำหรับแบตเตอรี่แบบสี่เหลี่ยมและแบบแพ็กอ่อน ส่วนเปลือกเหล็กนั้นแปรรูปยากและมีต้นทุนสูง

• การรับประกันการปิดผนึก: เทคโนโลยีการเชื่อมเปลือกอะลูมิเนียมมีการพัฒนาอย่างครบถ้วน เช่น การเชื่อมด้วยเลเซอร์ ซึ่งสามารถปิดผนึกอิเล็กโทรไลต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ป้องกันความชื้นและออกซิเจนไม่ให้เข้ามา และยืดอายุแบตเตอรี่

5. การจัดการความร้อน

• ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนสูง: การนำความร้อนของอะลูมิเนียม (ประมาณ 237 W/m·K) สูงกว่าเหล็ก (ประมาณ 50 W/m·K) มาก ซึ่งช่วยให้แบตเตอรี่กระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็วเมื่อใช้งาน และลดความเสี่ยงในการเกิดความร้อนสูงเกินไป

6. ต้นทุนและความประหยัด

• ต้นทุนวัสดุและการแปรรูปต่ำ: ราคาของวัตถุดิบอลูมิเนียมอยู่ในระดับปานกลาง และการใช้พลังงานในการแปรรูปก็ต่ำ ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก ในทางตรงกันข้าม วัสดุเช่นสแตนเลสมีราคาแพงกว่า

7. การออกแบบด้านความปลอดภัย

• กลไกการระบายแรงดัน: เปลือกอะลูมิเนียมสามารถระบายแรงดันภายในและหลีกเลี่ยงการระเบิดในกรณีที่มีการชาร์จเกินหรือเกิดภาวะความร้อนสูงเกินไป โดยการออกแบบวาล์วความปลอดภัย เช่น โครงสร้างพลิก CID ของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

8. แนวทางปฏิบัติและการกำหนดมาตรฐานอุตสาหกรรม

• เปลือกอะลูมิเนียมได้รับการนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่ยุคแรกของการนำแบตเตอรี่ลิเธียมมาใช้ในเชิงพาณิชย์ เช่น แบตเตอรี่ 18650 ที่ Sony เปิดตัวในปี 1991 ซึ่งก่อให้เกิดห่วงโซ่อุตสาหกรรมและมาตรฐานทางเทคนิคที่เติบโตเต็มที่ อีกทั้งยังช่วยเสริมสร้างตำแหน่งกระแสหลักให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น

มีข้อยกเว้นอยู่เสมอ ในบางสถานการณ์พิเศษ ปลอกเหล็กยังถูกนำมาใช้ด้วย:

ในบางสถานการณ์ที่มีข้อกำหนดด้านความแข็งแรงเชิงกลที่สูงมาก เช่น แบตเตอรี่พลังงานบางชนิดหรือการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง อาจใช้ปลอกเหล็กชุบนิกเกิลได้ แต่จะมีต้นทุนที่เพิ่มขึ้นทั้งในด้านน้ำหนักและต้นทุน

บทสรุป

เปลือกอะลูมิเนียมได้กลายมาเป็นตัวเลือกในอุดมคติสำหรับเปลือกแบตเตอรี่ลิเธียมเนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่ครอบคลุม เช่น น้ำหนักเบา ทนทานต่อการกัดกร่อน มีการนำไฟฟ้าที่ดี ง่ายต่อการประมวลผล กระจายความร้อนได้ดี และต้นทุนต่ำ ซึ่งให้ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความต้องการทางเศรษฐกิจได้อย่างสมบูรณ์แบบ