Monday, 25 October 2021

แบตเตอร์รี่อลูมิเนียมไออน หรือแบตเตอร์รี่พลังงานสูง รอบใช้งานสูงจะเป็นจริง

09 Dec 2020
368

เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมามีรายงานการใช้สาร electrolyte แบบ ionic liquid ในการช่วยเพิ่มรอบใช้งานให้แบตเตอร์รี่อลูมิเนียมไอออนถึง 7,500 รอบ ภายหลังมีรายงานตามมา พบว่าการใช้สาร ionic liquid ในขั้ว cathode แบบ graphene ให้รอบใช้งานได้สูงถึง 250,000 รอบ

ในปี 2019-2020 พบว่าสาร ionic liquid ราคาถูกคือ AlCl3-Triethylamine hydrochloride สามารถให้รอบใช้งานสูงถึง 11,500 รอบโดยมีค่า retention capacity ถึง 95% เช่นกัน

นอกจากนี้มีรายงานว่า Graphite Fluoride ที่ใช้ในแบตเตอร์รี่ Li-Ion สามารถใช้ได้ในแบตเตอร์รี่อลูมิเนียมไอออนได้

ในบทความนี้เราขอเสนอการใช้ Graphite Fluoride ในสาร
AlCl3/ Al[TfO]3 -Triethylamine hydrochloride/ 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide/ trihexyl-tetradecyl-phosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide/ dicyanamide/ 4- propylpyridine/ diglyme/NMA-urea สำหรับแบตเตอร์รี่อลูมิเนียมไอออน โดยจะแสดงการคำนวณหาความหนาแน่นพลังงานและราคาวัสดุในการผลิตซึ่งไม่เคยมีใครเคยเสนอมาก่อน

การทดลองทางทฤษฎี

หากเราเลือกใช้ Aluminium Foil หนา 0.0012 cm ความกว้างxยาว เป็น 10x20cm และใช้ Graphite fluoride ปริมาณ 2.76mg/cm2 โดยมี Seperators หนา 16um ความหนาแน่น 10g/m2

เมื่อนำวัสดุดังกล่าวมาประกอบเป็นแบตเตอร์รี่จะพบว่า

Aluminium Foil หนัก 2.7x10x20x0.0012×2=1.296g

Graphite Fluoride หนัก 2.76x20x10x2/1000= 1.104 g

Seperator หนัก (10×20/10,000)x10x2= 0.4g

น้ำหนักรวมขั้ว Anode และ Cathode เป็น 1.296+1.104+0.4= 2.8 g

น้ำหนัก Electrolyte โดยทั่วไปอยู่ที่ 5%

ดังนั้นเซลล์แบตเตอร์รี่ที่ประกอบหนัก 2.8 /0.95= 2.95 g

ดังนั้นเซลล์แบตเตอร์รี่ที่ประกอบหนัก 2.8 /0.95= 2.95 g

คำนวณหา % น้ำหนักของขั้ว Anode และ Cathode เพื่อคำนวณขนาดแบตเตอร์รี่ที่หนัก 1 Kg

Aluminium foil หนัก (1.296/2.95)x100= 44%

Graphite Fluoride หนัก (1.104/2.95 )x100= 37.43%

ดังนั้นแบตเตอร์รี่ 1 Kg จะมีวัสดุเป็น

Aluminium foil หนัก 440g

Graphite Fluoride หนัก 374g

พื้นที่ Seperator เป็น 440=(AxHx2.7)

A= 440/(0.0012×2.7)= 13.6 m2

ราคาวัสดุแบตเตอร์รี่หนัก 1 Kg

Aluminium Foil ราคา 0.44×3.2= 1.408 USD

Graphite Fluoride ราคา 0.374×4= 1.496 USD

Seperator ราคา 13.6×0.1= 1.36 USD Price

Electrolyte Al[TfO]3:NMA:Urea = 1.15:4

Al[TfO]3 หนัก 50/20= 2.5g ราคา 2.5×0.03=0.075 USD

NMA หนัก 2.5×15= 37.5g ราคา 37.5×0.01=0.375 USD

Urea หนัก 2.5×4= 1g ราคา 1×0.001= 0.001USD

ราคาวัสดุทั้งหมดเป็น

1.408 +
1.496 +
1.36 +
0.075 +
0.375+ 0.01 4.724 USD

จากรายงานพบว่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าคาโทดของ Graphite Fluoride เป็น
225mAh/g ดังนั้นแบตเตอร์รี่นี้จะมีความหนาแน่นกระแส 374×225/1000= 84.150Ah/kg

เมื่อความต่างศักย์ของแบตเตอร์รี่อลูมิเนียมไอออนเป็น 1.5V เราจะได้ความหนาแน่นพลังงานเป็น 126.2 Wh/kg

และมี่ราคาต่อ Kwh เป็น 4.724 x1000/126.2= 37.43 USD

บทสรุป

การคำนวณข้างต้นไม่เคยมีใครคำนวณมาก่อนและไม่เคยมีรายงานใดทำการทดสอบขั้ว Cathode แบบ Graphite Fluoride ใน electrolyte แบบ Al[TfO]3-NMA-Urea

ท่านสามารถนำโครงการของเราไปใช้ได้โดยไม่มีลิขสิทธิ์ หากท่านชอบการคำนวณของเราและสนใจสนับสนุนทางเว็บไซท์สามารถติดต่อเราได้ที่ thaisciencetechnology@gmail.com

REF

  1. low-cost-aluminium-ion-battery-with-high-energy-density-and-long-life-cycle
  2. Fluorinated Natural Graphite Cathode for Rechargeable Ionic Liquid Based Aluminum-Ion Battery
  3. Low-cost AlCl3/Et3NHCl electrolyte for high-performance aluminum-ion battery
  4. Active material loading and raw aerial capacity

รายการคำนวณเบ็ดเตล็ด

Current Carrying Capacity

ปริมาณกระแสที่ทนได้ของข้ัวคาโทดเป็น I= V/( ¶ L/A) = VA/¶L

=1.5x(2.60x(12×10^-6))/(2.65×10^-8)x(2.60)

=0.0000468/6.89e-8

=679.24Amp

คำนวณที่ Aluminium Foil หนา 9 um

Aluminium Foil หนัก 2.7x10x20x0.0009×2=0.972g

Graphite Fluoride หนัก 2.76x20x10x2/1000= 1.104 g

Seperator หนัก (10×20/10,000)x10x2= 0.4g

น้ำหนักรวมขั้ว Anode และ Cathode เป็น 0.972 +1.104+0.4= 2.476 g

น้ำหนัก Electrolyte โดยทั่วไปอยู่ที่ 5%

2.476/0.95= 2.6063g

คำนวณหา % น้ำหนักของขั้ว Anode และ Cathode เพื่อคำนวณขนาดแบตเตอร์รี่ที่หนัก 1 Kg

Aluminium foil หนัก (0.972/2.61)x100= 38%

Graphite Fluoride หนัก (1.104/2.61 )x100= 41%

ดังนั้นแบตเตอร์รี่ 1 Kg จะมีวัสดุเป็น

Aluminium foil หนัก 380g

Graphite Fluoride หนัก 410g

พื้นที่ Seperator เป็น 380=(AxHx2.7)

A= 380/(0.0009×2.7)= 15.6 m2

ราคาวัสดุแบตเตอร์รี่หนัก 1 Kg

Aluminium Foil ราคา 0.38×3.2= 1.216 USD

Graphite Fluoride ราคา 0.41×4= 1.64 USD

Seperator ราคา 15.6×0.1= 1.56 USD Price

Electrolyte Al[TfO]3:NMA:Urea = 1.15:4

Al[TfO]3 หนัก 50/20= 2.5g ราคา 2.5×0.03=0.075 USD

NMA หนัก 2.5×15= 37.5g ราคา 37.5×0.01=0.375 USD

Urea หนัก 2.5×4= 10g ราคา 10×0.001= 0.01USD

ราคารวม 1.216+1.64+1.56+0.075+0.375+0.01=4.876 USD

คิดความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าคาโทดของ Graphite Fluoride เป็น
225mAh/g ดังนั้นแบตเตอร์รี่นี้จะมีความหนาแน่นกระแส 410×225/1000= 92.25Ah/kg
เมื่อความต่างศักย์ของแบตเตอร์รี่อลูมิเนียมไอออนเป็น 1.5V เราจะได้ความหนาแน่นพลังงานเป็น 138 Wh/kg
และมี่ราคาต่อ Kwh เป็น 4.876 x1000/138= 35.33 USD