การศึกษาการแทรกตัวของโซเดียมในวัสดุ NMC ที่ผ่านการนำลิเทียมออกจากโครงสร้าง: สู่การประยุกต์ใช้วัสดุรีไซเคิลในแบตเตอรี่ชนิดโซเดียมไอออน

Article Sidebar

PDF
เผยแพร่แล้ว: ธ.ค. 4, 2025
DOI: https://doi.org/10.14456/kkuscij.2026.3
คำสำคัญ:
แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แบตเตอรี่โซเดียมไอออน ไฟฟ้าเคมี

Main Article Content

พงษ์สิทธิ์ กระเบา
สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
ทรงยุทธ แก้วมาลา
หลักสูตรวิทยาศาสตร์แบตเตอรี่และพลังงานใหม่ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น
วันวิสา ลิ้มพิรัตน์
สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) จังหวัดนครราชสีมา
นงลักษณ์ มีทอง
หลักสูตรวิทยาศาสตร์แบตเตอรี่และพลังงานใหม่ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น

บทคัดย่อ

แบตเตอรี่ชนิดโซเดียมไอออน (Sodium-ion batteries: SIBs) ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในฐานะทางเลือกที่มีศักยภาพแทนแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน เนื่องจากโซเดียมมีอยู่มากในธรรมชาติและราคาถูก อีกทั้งยังตอบโจทย์ความต้องการระบบกักเก็บพลังงานที่ยั่งยืนและต้นทุนไม่สูง งานวิจัยนี้นำเสนอแนวคิดใหม่ที่สามารถรองรับอนาคตของการจัดการทรัพยากรและพลังงาน โดยแสดงให้เห็นว่าวัสดุ LiNMC สามารถนำมาใช้เป็นวัสดุแคโทดในแบตเตอรี่ชนิดโซเดียมไอออนได้อย่างมีประสิทธิภาพ หลังจากผ่านกระบวนการนำลิเทียมออกและเติมโซเดียมเข้าไปใหม่ด้วยกรรมวิธีทางไฟฟ้าเคมี ส่งผลให้เกิดเป็นวัสดุเฟสใหม่ที่เรียกว่า NayNMC วัสดุ NayNMC ดังกล่าวถูกนำมาศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าเคมี โดยเน้นผลขององค์ประกอบโลหะทรานซิชันที่มีต่อการเคลื่อนที่ของไอออนโซเดียม และความสามารถในการคงโครงสร้างเลเยอร์แบบ O3 ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุประเภทออกไซด์ของโลหะทรานซิชันที่มีโครงสร้างแบบเลเยอร์ และใช้กันอย่างแพร่หลายในแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน โดยพบว่าปริมาณลิเทียมที่หลงเหลืออยู่ในโครงสร้างมีส่วนช่วยเพิ่มเสถียรภาพของโครงสร้างดังกล่าว จากผลการทดลองพบว่า ความจุไฟฟ้า อัตราการจ่ายกระแสไฟฟ้า และความเสถียรในการใช้งานของวัสดุ NayNMC มีความแตกต่างกันตามอัตราส่วนของโลหะทรานซิชัน โดยเฉพาะสูตร NayNMC811 ที่ให้ผลลัพธ์โดยรวมดีที่สุด ทั้งในด้านความจุไฟฟ้าใช้งานจริง อัตราการอัด-คายประจุที่ดี และความคงตัวของโครงสร้างในระยะยาว

Article Details

รูปแบบการอ้างอิง
กระเบา พ., แก้วมาลา ท., ลิ้มพิรัตน์ ว., & มีทอง น. . (2025). การศึกษาการแทรกตัวของโซเดียมในวัสดุ NMC ที่ผ่านการนำลิเทียมออกจากโครงสร้าง: สู่การประยุกต์ใช้วัสดุรีไซเคิลในแบตเตอรี่ชนิดโซเดียมไอออน. วารสารวิทยาศาสตร์ มข., 54(1), 21–33. https://doi.org/10.14456/kkuscij.2026.3
ฉบับ
ปีที่ 54 ฉบับที่ 1 (2026): (in progress): มกราคม - เมษายน 2569
ประเภทบทความ
บทความวิจัย
Creative Commons License

อนุญาตภายใต้เงื่อนไข Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

เอกสารอ้างอิง

Berthelot, R., Carlier, D. and Delmas, C. (2010). Electrochemical Investigation of the P2–NaxCoO2 Phase Diagram. Nature Materials 10(1): 74 - 80. doi: 10.1038/nmat2920.

Bublil, S., Fayena-Greenstein, M., Talyanker, M., Solomatin, N., Tsubery, M.N., Bendikov, T., Penki, T.R., Grinblat, J., Durán, I.B., Grinberg, I., Ein-Eli, Y., Elias, Y., Hartmann, P. and Aurbach, D. (2018). Na-Ion Battery Cathode Materials Prepared by Electrochemical Ion Exchange from Alumina-Coated Li1+xMn0.54Co0.13Ni0.1+yO2. Journal of Materials Chemistry A 6(30): 14816 - 14827. doi: 10.1039/C8TA0 5068F.

Clément, R.J., Bruce, P.G. and Grey, C.P. (2015). Review Manganese-Based P2-Type Transition Metal Oxides as Sodium-Ion Battery Cathode Materials. Journal of The Electrochemical Society 162(14): A2589 - A2604. doi: 10.1149/2.0201514jes.

Han, S.C., Bae, E.G., Lim, H. and Pyo, M. (2014). Non-Crystalline Oligopyrene as a Cathode Material with a High-Voltage Plateau for Sodium Ion Batteries. Journal of Power Sources 254: 73 - 79. doi: 10.1016/ J.JPOWSOUR.2013.12.104.

Hasa, I., Buchholz, D., Passerini, S., Scrosati, B. and Hassoun, J. (2014). High Performance Na0.5[Ni0.23 Fe0.13Mn0.63]O2 Cathode for Sodium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 4(15): 1400083. doi: 10.1002/AENM.201400083.

Hashem, A.M., Abdel-Ghany, A.E., Abuzeid, H.M., Ehrenberg, H., Mauger, A., Groult, H. and Julien, C.M. (2013). LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Synthesized by Sol-Gel Method: Structure and Electrochemical Properties. ECS Transactions 50(24): 91 - 96. doi: 10.1149/05024.0091ECST.

Heubner, C., Matthey, B., Lein, T., Wolke, F., Liebmann, T., Lämmel, C., Schneider, M., Herrmann, M. and Michaelis, A. (2020). Insights into the Electrochemical Li/Na-Exchange in Layered LiCoO2 Cathode Material. Energy Storage Materials 27: 377 - 386. doi: 10.1016/J.ENSM.2020.02.012.

Hwang, J.Y., Myung, S.T. and Sun, Y.K. (2017). Sodium-Ion Batteries: Present and Future. Chemical Society Reviews 46(12): 3529 - 3614. doi: 10.1039/C6CS00776G.

Hwang, J.Y., Yoon, C.S., Belharouak, I. and Sun, Y.K. (2016). A Comprehensive Study of the Role of Transition Metals in O3-Type Layered Na[NixCoyMnz]O2 (x = 1/3, 0.5, 0.6, and 0.8) Cathodes for Sodium-Ion Batteries. Journal of Materials Chemistry A 4(46): 17952 - 17959. doi: 10.1039/C6TA07392A.

Hwang, J.Y., Oh, S.M., Myung, S.T., Chung, K.Y., Belharouak, I. and Sun, Y.K. (2015). Radially Aligned Hierarchical Columnar Structure as a Cathode Material for High Energy Density Sodium-Ion Batteries. Nature Communications doi: 10.1038/ncomms7865.

Jung, R., Metzger, M., Maglia, F., Stinner, C. and Gasteiger, H.A. (2017a). Oxygen Release and Its Effect on the Cycling Stability of LiNixMnyCozO2 (NMC) Cathode Materials for Li-Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society 164(7): A1361 - 1377. doi: 10.1149/2.0021707JES/.

Jung, R., Metzger, M., Maglia, F., Stinner, C. and Gasteiger, H.A. (2017b). Chemical versus Electrochemical Electrolyte Oxidation on NMC111, NMC622, NMC811, LNMO, and Conductive Carbon. Journal of Physical Chemistry Letters 8(19): 4820 - 4825. doi: 10.1021/ACS.JPCLETT.7B01927.

Kim, D., Lee, E., Slater, M., Lu, W., Rood, S. and Johnson, C.S. (2012). Layered Na[Ni1/3Fe1/3Mn1/3]O2 Cathodes for Na-Ion Battery Application. Electrochemistry Communications 18(1): 66 - 69. doi: 10.1016/J.ELE COM.2012.02.020.

Kubota, K. and Komaba, S. (2015). Review Practical Issues and Future Perspective for Na-Ion Batteries. Journal of The Electrochemical Society 162(14): A2538 - A2550. doi: 10.1149/2.0151514JES.

Mu, L., Xu, S., Li, Y., Hu, Y.S., Li, H., Chen, L. and Huang, X. (2015). Prototype Sodium-Ion Batteries Using an Air-Stable and Co/Ni-Free O3-Layered Metal Oxide Cathode. Advanced Materials 27(43): 6928 - 6933. doi: 10.1002/ADMA.201502449.

Nayak, P.K., Yang, L., Brehm, W. and Adelhelm, P. (2018). From Lithium-Ion to Sodium-Ion Batteries: Advantages, Challenges, and Surprises. Angewandte Chemie International Edition 57(1): 102 - 120. doi: 10.1002/ANIE.201703772.

Nguyen, V.H., Nguyen, L.M., Huynh, T.T.K., Tran, V.M. and Le, M.L.P. (2021). New Sodium Intercalation Cathode Prepared by Sodiation of Delithiated Host LiNi1/3 Mn1/3Co1/3O2. Advances in Materials Science and Engineering 2021: 6280582. doi: 10.1155/2021/6280582.

Nose, M., Nakayama, H., Nobuhara, K., Yamaguchi, H., Nakanishi, S. and Iba, H. (2013). Na4Co3(PO4)2P2O7: A Novel Storage Material for Sodium-Ion Batteries. Journal of Power Sources 234: 175 - 179. doi: 10.10 16/J.JPOWSOUR.2013.01.162.

Oh, S.M., Myung, S.T., Hwang, J.Y., Scrosati, B., Amine, K. and Sun. Y.K. (2014). High Capacity O3-Type Na[Li0.05(Ni0.25Fe0.25Mn0.5)0.95]O2 Cathode for Sodium Ion Batteries. Chemistry of Materials 26(21): 6165 - 6171. doi: 10.1021/CM502481B.

Sathiya, M., Hemalatha, K., Ramesha, K., Tarascon, J.M. and Prakash, A.S. (2012). Synthesis, Structure, and Electrochemical Properties of the Layered Sodium Insertion Cathode Material: NaNi1/3Mn1/3Co1/3O2. Chemistry of Materials 24(10): 1846 - 1853. doi: 10.1021/CM300466B.

Van Man, T., Nguyen, H.L.T., Nam, L.P.P., Linh, N.D., An, P.L.B and Phung, L.M.L. (2018). Electrochemical Na-Migration into Delithiated Phase LizNi1/3Mn1/3Co1/3O2: Structure and Electrochemical Properties. Journal of The Electrochemical Society 165(7): A1558. doi: 10.1149/2.1281807jes.

Wang, Y., Xiao, R., Hu, Y.S., Avdeev, M. and Chen, L. (2015). P2-Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 Cation-Disordered Electrode for High-Rate Symmetric Rechargeable Sodium-Ion Batteries. Nature Communications 2015 6(1): 6954. doi: 10.1038/ncomms7954.

Xiang, X., Zhang, K. and Chen, J. (2015). Recent Advances and Prospects of Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries. Advanced Materials 27(36): 5343 - 5364. doi: 10.1002/ADMA.201501527.

Xu, G.L., Amine, R., Xu, Y.F., Liu, J., Gim, J., Ma, T., Ren, Y., Sun, C.J., Liu, Y., Zhang, X., Heald, S.M., Solhy, A., Saadoune, I., Mattis, W.L., Sun, S.G., Chen, Z. and Amine, K. (2017). Insights into the Structural Effects of Layered Cathode Materials for High Voltage Sodium-Ion Batteries. Energy & Environmental Science 10(7): 1677 - 1693. doi: 10.1039/C7EE00827A.

Xu, J., Lee, D.H., Clément, R.J., Yu, X., Leskes, M., Pell, A.J., Pintacuda, G., Yang, X., Grey, C.P. and Meng, Y.S. (2014). Identifying the Critical Role of Li Substitution in P2-Nax[LiyNizMn1-y-Z]O2 (0 < x, y, z < 1) Intercalation Cathode Materials for High-Energy Na-Ion Batteries. Chemistry of Materials 26(2): 1260 - 1269. doi: 10.1021/cm403855t

Yabuuchi, N., Kubota, K., Dahbi, M. and Komaba, S. (2014). Research Development on Sodium-Ion Batteries. Chemical Reviews 114(23): 11636 - 11682. doi: 10.1021/cr500192f

Yabuuchi, N. and Ohzuku, T. (2005). Electrochemical Behaviors of LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 in Lithium Batteries at Elevated Temperatures. Journal of Power Sources 146(1-2): 636 - 639. doi: 10.1016/J.JPOWSOUR. 2005.03.080.

Yabuuchi, N., Yano, M., Yoshida, H., Kuze, S., and Komaba, S. (2013). Synthesis and Electrode Performance of O3-Type NaFeO2 -NaNi1/2Mn1/2O2 Solid Solution for Rechargeable Sodium Batteries. Journal of The Electrochemical Society 160(5): A3131 - 3137. doi: 10.1149/2.018305JES.

Yuan, D., Hu, X., Qian, J., Pei, F., Wu, F., Mao, R., Ai, Xinping., Yang, H. and Cao, Y. (2014). P2-Type Na0.67Mn0.65Fe0.2Ni0.15O2 Cathode Material with High-Capacity for Sodium-Ion Battery. Electrochimica Acta 116: 300 - 305. doi: 10.1016/J.ELECTACTA.2013.10.211.

Zhu, J., Vo, T., Li, D., Lu, R., Kinsinger, N.M., Xiong, L., Yan, Y. and Kisailus, D. (2012). Crystal Growth of Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 as a Cathode Material for High-Performance Lithium-Ion Batteries. Crystal Growth and Design 12(3): 1118 - 1123. doi: 10.1021/cg200565n.