นักวิจัยจาก Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) ในเกาหลีใต้ได้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่ใช้โพลีเมอร์สามชั้นซึ่งไม่เพียงแต่ทนทานต่อไฟและการระเบิดเท่านั้น แต่ยังมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนทั่วไปอีกด้วย ผลการวิจัยนี้ได้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร Small โดยแบตเตอรี่ที่พัฒนานี้มีประสิทธิภาพที่สามารถเก็บพลังงานได้ถึง 87% หลังจากการใช้งาน 1,000 รอบการชาร์จและการปล่อยพลังงาน
ความสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนในยุคพลังงานสะอาด
แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน (Li-ion) เป็นส่วนประกอบสำคัญของการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาด ซึ่งช่วยทดแทนการใช้พลังงานจากฟอสซิลเพื่อใช้พลังงานที่มาจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนและไร้คาร์บอน ด้วยวัสดุที่หาง่ายอย่างลิเธียม แบตเตอรี่เหล่านี้จึงมีความหนาแน่นของพลังงานสูงและสามารถใช้งานได้กับอุปกรณ์ตั้งแต่สมาร์ทโฟนจนถึงรถยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่มีส่วนประกอบทางเคมีจากสารอินทรีย์นั้นมีความเสี่ยงที่จะเกิดไฟไหม้และระเบิด เนื่องจากตัวแยกที่ใช้ในการแยกขั้วไฟฟ้าอาจเกิดความเสียหายได้และอาจทำให้เกิดการลัดวงจรจนเกิดการระเบิดได้
การพัฒนาแบตเตอรี่ที่ทนไฟและระเบิด
นักวิจัยได้หันมาใช้ระบบอิเล็กโทรไลต์แบบโพลีเมอร์แข็ง ซึ่งมีคุณสมบัติที่ทนต่อไฟและการระเบิดมากกว่า แต่การพัฒนาเทคโนโลยีนี้ยังคงเผชิญกับอุปสรรคเนื่องจากแบตเตอรี่โซลิดสเตต (solid-state) มักมีประสิทธิภาพต่ำกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้ของเหลวในการถ่ายโอนพลังงาน เนื่องจากการสัมผัสระหว่างขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ไม่สามารถทำได้อย่างสมบูรณ์
การสร้างลิเธียมไอออนที่มีการพัฒนาลวดลายโครงสร้างเมทัลลิก (dendrites) ที่แหลมคมในระหว่างการชาร์จและปล่อยพลังงานนั้นจะทำให้การใช้งานแบตเตอรี่ลดลงและอาจเพิ่มความเสี่ยงจากไฟไหม้และการระเบิด
โพลีเมอร์สามชั้นที่ทนไฟและการระเบิด
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยที่นำโดยคิม แจ-ฮยอน (Kim Jae-hyun) ได้พัฒนาโครงสร้างอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์สามชั้น โดยแต่ละชั้นมีฟังก์ชันเฉพาะในการเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานต่อไฟและการระเบิด ชั้นกลางทำจากซิโอไลต์เพื่อให้โครงสร้างมีความแข็งแรง ขณะที่ชั้นนอกที่อ่อนลงช่วยเพิ่มการสัมผัสขั้วไฟฟ้าและปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่
ชั้นหนึ่งประกอบด้วยสาร decabromodiphenyl ethane (DBDPE) ซึ่งสามารถป้องกันไฟและดับไฟได้หากเกิดไฟไหม้ ส่วนสาร lithium bis (trifluoromethane sulfonyl) imide (LiTFSI) ที่มีความเข้มข้นสูงช่วยเพิ่มอัตราการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออน ซึ่งส่งผลให้แบตเตอรี่สามารถถ่ายโอนพลังงานได้รวดเร็วขึ้นและป้องกันการเกิด dendrites ในอิเล็กโทรไลต์
อายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป
ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่โพลีเมอร์สามชั้นนี้สามารถเก็บพลังงานได้ถึง 87.9% หลังจากการชาร์จและปล่อยพลังงาน 1,000 ครั้ง ซึ่งสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่สามารถเก็บพลังงานได้แค่ 70-80% เท่านั้น
อนาคตของแบตเตอรี่โพลีเมอร์แข็ง
การวิจัยนี้มีศักยภาพที่จะมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมเมทัลที่ใช้โพลีเมอร์แข็ง และคาดว่าจะสามารถเพิ่มเสถียรภาพและประสิทธิภาพให้กับอุปกรณ์จัดเก็บพลังงาน โดยสามารถนำไปใช้งานได้ในหลายภาคส่วน ตั้งแต่สมาร์ทโฟนจนถึงระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่
เทคโนโลยีใหม่ที่พัฒนาโดย DGIST นี้จึงอาจเป็นการปฏิวัติวงการแบตเตอรี่ในอนาคต และช่วยขับเคลื่อนการใช้พลังงานสะอาดอย่างยั่งยืนมากขึ้น
แหล่งที่มา : interestingengineering