ทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมจึงใช้อลูมิเนียมเป็นเปลือก?

เหตุผลหลักที่แบตเตอรี่ลิเธียมควรใช้เปลือกอลูมิเนียมสามารถวิเคราะห์ได้อย่างละเอียดจากประเด็นต่างๆ ต่อไปนี้ ได้แก่ น้ำหนักเบา ทนทานต่อการกัดกร่อน มีการนำไฟฟ้าที่ดี ประสิทธิภาพการประมวลผลที่ดี ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนที่ดี เป็นต้น

1. น้ำหนักเบา

• ความหนาแน่นต่ำ: อะลูมิเนียมมีความหนาแน่นประมาณ 2.7 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งต่ำกว่าความหนาแน่นของเหล็กซึ่งอยู่ที่ประมาณ 7.8 กรัม/ลูกบาศก์เซนติเมตรอย่างมาก สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการความหนาแน่นพลังงานสูงและมีน้ำหนักเบา เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และรถยนต์ไฟฟ้า เปลือกอะลูมิเนียมสามารถลดน้ำหนักโดยรวมและเพิ่มความทนทานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

2. ความต้านทานการกัดกร่อน

• ความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง: แรงดันไฟฟ้าใช้งานของวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม เช่น วัสดุเทอร์นารี และลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ค่อนข้างสูง (3.0-4.5V) ด้วยศักยภาพนี้ อะลูมิเนียมจะก่อตัวเป็นฟิล์มพาสซีฟอะลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) หนาแน่นบนพื้นผิวเพื่อป้องกันการกัดกร่อนเพิ่มเติม เหล็กถูกกัดกร่อนได้ง่ายจากอิเล็กโทรไลต์ภายใต้แรงดันสูง ส่งผลให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลงหรือรั่วไหล

• ความเข้ากันได้ของอิเล็กโทรไลต์: อะลูมิเนียมมีเสถียรภาพทางเคมีที่ดีต่ออิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ เช่น LiPF₆ และไม่เกิดปฏิกิริยาระหว่างการใช้งานในระยะยาว

3. การนำไฟฟ้าและการออกแบบโครงสร้าง

• การเชื่อมต่อตัวสะสมกระแสไฟฟ้า: อะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่นิยมใช้สำหรับตัวสะสมกระแสไฟฟ้าขั้วบวก (เช่น ฟอยล์อะลูมิเนียม) เปลือกอะลูมิเนียมสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วบวก ทำให้โครงสร้างภายในเรียบง่ายขึ้น ลดความต้านทาน และเพิ่มประสิทธิภาพการส่งพลังงาน

• ข้อกำหนดด้านการนำไฟฟ้าของเปลือก: ในการออกแบบแบตเตอรี่บางประเภท เปลือกอะลูมิเนียมจะเป็นส่วนหนึ่งของเส้นทางกระแสไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ทรงกระบอก ซึ่งมีทั้งฟังก์ชันด้านการนำไฟฟ้าและการป้องกัน

4. ประสิทธิภาพการประมวลผล

• ความเหนียวดีเยี่ยม: อะลูมิเนียมปั๊มและยืดได้ง่าย เหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่ที่มีรูปทรงซับซ้อน เช่น ฟิล์มอะลูมิเนียมพลาสติกสำหรับแบตเตอรี่แบบสี่เหลี่ยมและแบบซอฟต์แพ็ค ส่วนเปลือกเหล็กนั้นยากต่อการแปรรูปและมีต้นทุนสูง

• รับประกันการปิดผนึก: เทคโนโลยีการเชื่อมเปลือกอลูมิเนียมมีความสมบูรณ์ เช่น การเชื่อมด้วยเลเซอร์ ซึ่งสามารถปิดผนึกอิเล็กโทรไลต์ ป้องกันความชื้นและออกซิเจนไม่ให้เข้ามา และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

5. การจัดการความร้อน

• ประสิทธิภาพการกระจายความร้อนสูง: การนำความร้อนของอะลูมิเนียม (ประมาณ 237 W/m·K) สูงกว่าเหล็กมาก (ประมาณ 50 W/m·K) ซึ่งช่วยให้แบตเตอรี่กระจายความร้อนได้อย่างรวดเร็วขณะใช้งานและลดความเสี่ยงของการเกิดความร้อนรั่วไหล

6. ต้นทุนและความประหยัด

• ต้นทุนวัตถุดิบและการแปรรูปต่ำ: ราคาวัตถุดิบอะลูมิเนียมอยู่ในระดับปานกลาง และการใช้พลังงานในการแปรรูปต่ำ เหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณมาก ในทางกลับกัน วัสดุอย่างสเตนเลสมีราคาแพงกว่า

7. การออกแบบด้านความปลอดภัย

• กลไกการระบายแรงดัน: เปลือกอลูมิเนียมสามารถระบายแรงดันภายในและหลีกเลี่ยงการระเบิดในกรณีที่มีการชาร์จเกินหรือเกิดภาวะความร้อนรั่วไหล โดยการออกแบบวาล์วความปลอดภัย เช่น โครงสร้างพลิก CID ของแบตเตอรี่ทรงกระบอก

8. แนวทางปฏิบัติและการกำหนดมาตรฐานของอุตสาหกรรม

• เปลือกอลูมิเนียมได้รับการนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่ยุคแรกของการนำแบตเตอรี่ลิเธียมออกสู่ตลาด เช่น แบตเตอรี่ 18650 ที่เปิดตัวโดย Sony ในปี 1991 ซึ่งก่อให้เกิดห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่เติบโตเต็มที่และมาตรฐานทางเทคนิคที่ช่วยเสริมสร้างตำแหน่งหลักให้แข็งแกร่งยิ่งขึ้น

มีข้อยกเว้นเสมอ ในบางกรณีพิเศษ เปลือกเหล็กก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน:

ในบางสถานการณ์ที่มีข้อกำหนดความแข็งแรงเชิงกลสูงมาก เช่น แบตเตอรี่พลังงานบางชนิดหรือการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง อาจใช้ปลอกเหล็กชุบนิกเกิลได้ แต่จะมีต้นทุนที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากน้ำหนักและต้นทุนที่เพิ่มขึ้น

บทสรุป

เปลือกอลูมิเนียมได้กลายมาเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับเปลือกแบตเตอรี่ลิเธียม เนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่ครอบคลุม เช่น น้ำหนักเบา ทนทานต่อการกัดกร่อน มีการนำไฟฟ้าที่ดี ง่ายต่อการประมวลผล ระบายความร้อนได้ดีเยี่ยม และต้นทุนต่ำ ซึ่งให้ความสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ ความปลอดภัย และความต้องการทางเศรษฐกิจได้อย่างสมบูรณ์แบบ