นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Rice ได้พัฒนากระบวนการสกัดแร่ลิเทียมซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า (EV) ในส่วนของแบตเตอรี่ให้มีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น กลายเป็นฐานรากสำคัญสำหรับซัพพลายเชนสีเขียวของ EV ที่ยั่งยืน ด้วยการปฏิวัติการเก็บเกี่ยวลิเทียมด้วยเยื่อ Solid-stage Electrolyte ที่ทำให้การคัดเลือกอยู่ในสภาพที่เกือบสมบูรณ์แบบ
SSEs แก้ปัญหามลภาวะจากการสกัดลิเทียมสำหรับแบตเตอรี่ EV
การแข่งขันเพื่อแย่งชิงตลาดยานยนต์สมัยใหม่อย่างตลาด EV ในยุคปัจจุบันนั้นมี ‘ลิเทียม’ เป็นส่วนสำคัญ ในฐานะแบตเตอรี่ที่เป็นพลังงานและเป็นชิ้นส่วนที่มีราคาแพงที่สุดของยานยนต์หากพิจารณาแยกตามส่วนประกอบการใช้งาน นักวิจัยจาก Rice University ได้พัฒนากระบวนการสกัดลิเทียมที่เป็น Breakthrough ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมได้ขึ้นมา
ในการศึกษาที่ได้เผยแพร่ออกมานั้นนักวิจัยได้สาธิตการกระบวนการคัดเลือกลิเทียมที่มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับความสมบูรณ์แบบขึ้นมา ด้วยการปรับเปลี่ยนเป้าหมาย (Repurposing) ของ Solid-state Electrolytes (SSEs) ในฐานะวัสดุที่เป็นเยื่อสำหรับสกัดลิเทียมด้วยน้ำ (Aqueous Lithium Extraction) ซึ่งแต่เดิมถูกออกแบบมาเพื่อเหนี่ยวนำลิเทียมไอออนอย่างรวดเร็วในแบตเตอรี่แบบ Solid-state ซึ่งไม่มีไอออนหรือของเหลวทำละลายอื่น ๆ ด้วยโครงสร้างที่เป็นระเบียบและมีความสามารถในการกักเก็บสูงของ SSEs พบว่าสามารถทำให้แบ่งแยกระหว่างไออนและน้ำที่ผสมกันในขั้นตอนสกัดได้อย่างไม่เคยมีมาก่อน
พลิกโลกของซัพพลายเชนลิเทียมสู่ความยั่งยืนของการผลิตแบตเตอรี่ EV และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
การค้นพบในครั้งนี้เผยให้เห็นศักยภาพใหม่ของการเก็บกู้ทรัพยากรกลับมาใช้เพื่อให้เกิดความยั่งยืน ลดการพึ่งพาการทำเหมืองและเทคนิคการสกัดแร่แบบเดิม ๆ ที่ใช้เวลาจำนวนมากและส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมอย่างใหญ่หลวง ซึ่งล้วนแต่เป็นต้นทุนที่สำคัญของการผลิต EV และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่
ความท้าทายที่เกิดขึ้นจึงไม่ใช่แค่การเพิ่มกำลังการผลิตลิเทียมแต่ยังเป็นกลไกในการสร้างความยั่งยืนและหล่อเลี้ยงเศรษฐกิจอีกด้วย นักวิจัยจึงได้ตรวจสอบกระบวนการที่มีอยู่เดิม เช่น เทคโนโลยีการสกัดลิเทียมโดยตรง (Direct Lithium Extraction) ที่มีการเก็บกู้ลิเทียมจากแหล่งวัตถุดิบที่ไม่ใช่วัตถุดิบหลัก เช่น น้ำมัน, น้ำจากการผลิตก๊าซ, น้ำเสียจากโรงงาน และการทำให้พลังงานความร้อนใต้พิภพเกิดความเข้มข้น (Geothermal Brine) แต่กระบวนการเหล่านี้พบว่ามีการติดขัดในเรื่องของการคัดเลือกไอออน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการพยายามที่จะแยกลิเทียมไอออนออกจากไอออนอื่น ๆ ที่มีขนาดใกล้หรือมีประจุใกล้เคียงกัน อย่างเช่น แมกนีเซียมและโซเดียม
คำตอบของการค้นหานี้อยู่ที่ความแตกต่างระหว่าง SSEs และเยื่อ Nanoporous แบบดั้งเดิมที่นิยมใช้งาน ซึ่งเยื่อแบบดั้งเดิมนั้นต้องพึ่งพาการขจัดน้ำออก (Hydrate) ในระดับนาโนเพื่อเคลื่อนย้ายไอออน ซึ่งกรณีของ SSEs จะส่งลิเทียมไอออนผ่านกลไก Anhydrous Hopping ที่ทำให้เกิดโครงสร้างของแข็งจากการเกิดคริสตัล (Crystalline Lattice) ที่เป็นระเบียบอย่างมาก ทำให้ลิเทียมไอออนสามารถผ่านเยื่อได้ในขณะที่ไออนหรือน้ำกลับถูกกักกันเอาไว้ แนวทางการใช้งาน SSEs เป็นพื้นฐานจึงมีประสิทธิภาพสูง
กรองลิเทียมด้วย SSEs แนวทางที่ให้ผลลัพธ์ใกล้เคียงกับคำว่าสมบูรณ์แบบ
ในการทดสอบปรากฎการณ์ใช้การเตรียมการทดสอบแบบ Electrodialysis ซึ่งประยุกต์สนามไฟฟ้า (Electric Field) เพื่อขับเคลื่อนลิเทียมไอออนให้เดินทางข้ามเยื่อ ผลลัพธ์ที่ได้เรียกว่ามีความน่าตื่นตาตื่นใจ เพราะถึงแม้ว่าจะมีความเข้มข้นของไอออนอื่น ๆ ที่ต้องแข่งขันกันในปริมาณสูง SSEs ยังคงทำหน้าที่คัดเลือกลิเทียมไอออนได้ใกล้เคียงคำว่าสมบูรณ์แบบโดยไม่ปรากฎไอออนอื่นใดปะปนมาในกระแสที่เกิดขึ้น ซึ่งเยื่อกรองแบบดั้งเดิมไม่อาจทำได้
ด้วยการผสมผสานกระบวนการทางคอมพิวเตอร์เพื่อประมวลผล และการทดลองเทคนิดใหม่ ๆ เพื่อหาเหตุผลว่าทำไม SSEs ถึงมีคุณสมบัติในการคัดกรองลิเทียมไอออนที่โดดเด่น พบว่าด้วยโครงสร้างการเกิดคริสตัลที่แข็งแรงและอัดแน่นนั้นป้องกันไม่ให้โมเลกุลของน้ำและไอออนที่ใหญ่กว่า เช่น โซเดียม ไม่สามารถผ่านโครงสร้างเยื่อกรองได้ นอกจากนี้แมกนีเซียมไอออนที่มีประจุแตกต่างออกไปจากลิเทียมไอออนยังคงถูกพบว่าไม่สามารถผ่านโครงสร้างคริสตัลได้ด้วยเช่นกัน
นักวิจัยได้สังเกตว่าไอออนที่แข่งขันกันนั้นแม้จะไม่ได้เคลื่อนที่ผ่าน SSEs แต่การมีอยู่ในตัวทำละลายที่ป้อนเข้าไปนั้นทำให้เกิดการลดฟลักซ์ของลิเทียม โดยจะทำการปิดกั้นพื้นผิวของพื้นที่ที่ทำการแลกเปลี่ยนไอออน ซึ่งความท้าทายนี้นักวิจัยเชื่อว่าสามารถแก้ไขได้ด้วยวิศวกรรมทางวัสดุศาสตร์
การพัฒนาเทคโนโลยีการสกัดใหม่นี้จะเป็นผลดีต่ออุตสาหกรรมที่ต้องพึ่งพาลิเทียมไอออน เช่น แบตเตอรี่ลิเทียมไออนที่ใช้ในยานยนต์อย่าง EV, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และภาคส่วนของพลังงานหมุนเวียนทั้งหลาย ด้วยปริมาณที่มีอยู่อย่างจำกัด การใช้เยื่อกรอง SSEs จึงช่วยให้สามารถเก็บกู้ทรัพยากรลิเทียมได้อย่างยั่งยืนโดยไม่จำเป็นต้องพึ่งพาแต่การทำเหมืองแบบดั้งเดิม ด้วยการบูรณาการเข้าไปในระบบ Electrodialysis ทำให้เกิดการสกัดลิเทียมโดยตรงจากแหล่งทรัพยากรที่เป็นน้ำได้อย่างหลากหลาย ลดกระบวนการใช้งานบ่อระเหยในการสกัด รวมถึงการทำให้บริสุทธิ์ด้วยสารเคมีที่เข้มข้นได้อีกด้วย
ที่มา:
rice.edu
| เนื้อหาที่น่าสนใจ: ไขความลับ 4 ขั้นตอนสำคัญสู่การผลิตแบตเตอรี่ที่ยั่งยืนและคุ้มค่า |
