งานวิจัยร่วมกันระหว่าง Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) และ University of Chicago ได้ค้นพบวิธีที่ทำให้แบตเตอรี่ที่มีผ่านการใช้งานมาแล้วสามารถกลับมาทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพอีกครั้งหนึ่งด้วยการพัฒนาวัตถุดิบที่มีคุณสมบัติ Zero Thermal Expansion (ZTE)
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังหนาแน่นสูง สาเหตุที่ทำให้อายุการใช้งานสั้น
พลังงานสะอาดแห่งอนาคตอาจมาจากหลากหลายแหล่ง อาทิ พลังงานลม และพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งยานยนต์ไฟฟ้าที่ใช้พลังงานเหล่านี้ต้องการเครื่องมือในการกักเก็บพลังงานที่เคลื่อนย้ายได้ และมีประสิทธิภาพการใช้งานที่พิจารณืไปถึง Life Cycle ของอุปกรณ์อีกด้วย
ความต้องการเหล่านี้ทำให้เกิดเป็นอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานความหนาแน่นสูงในรูปแบบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (LIBs) เกิดขึ้นมา แม้ว่าจะมีราคาในการใช้งานที่สูงเมื่อเทียบกับการจัดเก็บพลังงานแบบดั้งเดิม ความสามารถในการจัดเก็บพลังงานจำนวนมากและสามารถนำส่งพลังงานได้อย่างรวดเร็วเป็นตัวเลือกที่ลงตัวอย่างมากในการจัดเก็บพลังงานสำหรับกิจกรรมอันหลากหลายในยุคสมัยใหม่
ปฏิกริยา OR เพิ่มความจุ ‘แบตเตอรี่’ 30% แต่ลดอายุการใช้งานอย่างมาก
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีประสิทธิภาพสูงในการใช้งานสาเหตุมาจากปฏิกริยาเคมี Oxygen-redox (OR) ในการใช้งาน โดยออกซิเจนจะมีคุณสมบัติ Electronegative เป็นพื้นฐาน และจะถูกถ่ายเทอิเล็กตรอนที่ Cathode ของแบตเตอรี่ ปฏิกริยาที่ย้อนกลับไปมาได้นี้ทำให้แบตเตอรี่สามารถทำงานได้ในขณะที่เพิ่มประมาณการจัดเก็บพลังงานได้ถึง 30%
แน่นอนว่านี่คือจุดเด่นและข้อได้เปรียบที่เกิดขึ้น การใช้หปฏิกริยาเคมี OR นั้นยังสะท้อนถึงข้อด้อยที่ชัดเจนอีกประการหนึ่ง คือ เมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่งจะเกิดปฏิกริยาที่ไม่อาจย้อนกลับได้ เช่น การศูนย์เสียออกซิเจนอาจเกิดขึ้นระหว่างประจุพลังงานได้ ส่งผลกระทบต่อแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้น
ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นยังให้ผลลัพธ์เป็น Lattice Distortion ที่ไม่สมมาตร เกิดเป็นการค่อย ๆ ลดลง (Decay) ของแรงดันไฟฟ้าและอายุการใช้งานที่มากขึ้น เป็นเพราะความร้อนที่ขยายตัวขึ้นจากวัสดุที่ใช้ในแบตเตอรี่ ส่งผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพและบั่นทอนอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ไม่น้อย ทำให้เกิดความพยายามในการยืดอายุการใช้งานและผลตอบแทนที่มากขึ้นในการลงทุนแบตเตอรี่จากลิเธียมไอออน
Zero Thermal Expansion ทางออกสำหรับแบตเตอรี่ยุคใหม่
ทีมวิจัยได้ค้นพบว่าพฤติกรรมของ Negative Thermal Expansion (NTE) ในวัตถุดิบ Oxide Cathode นั้นอุดมไปด้วยลิเธียม เมื่อให้ความร้อนถึงช่วง 150 – 250 องศาเซลเซียส วัตถุดิบเหล่านี้จะเผยให้เห็นถึงการหดตัว ซึึ่งเป็นพฤติกรรมที่แตกต่างออกไปจากที่เราคุ้นชินกันตามหลัก Thermodynamics
นักวิจัยเชื่อว่าพฤติกรรมนี้เป็นการใช้ความร้อนขจับเคลื่อนเปลี่ยนแปลงสภานะระหว่างการมีระเบียบกับไม่มีระเบียบ แทนที่จะมองว่าสิ่งที่เกิดขึ้นเป็นความผิดพลาด พวกเขาเปลี่ยนพฤติกรรมเหลานี้ให้เป็นค่าที่สามารถปรับจูนได้ ทำให้ได้ข้อมูลความสัมพันธ์เชิงลึกระหว่างกิจกรรมของ OR และพฤติกรรม NTE จึงสามารถเปลี่ยนสถานะไปมาระหว่างการเป็นบวก, การเป็นศูนย์ และการเป็นลบได้
นักวิจัยได้พัฒนา Zero Thermal Expansion (ZTE) ซึ่งเป็น Cathode ขึ้นมาโดยการเปลี่ยนปฏิกริยา OR ซึ่งจะทำหน้าที่ป้องกันการขยายตัวจากความร้อนและเพิ่มความทนทานและความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนโครงสร้างแบตเตอรี่ คือ การสามารถกู้คืนแรงดันไฟฟ้าได้เกือบ 100% ซึ่งสามารถนำไปต่อยอดใช้กับระบบการประจุไฟฟ้าที่ชาญฉลาด เพื่อช่วยฟื้นฟูสุขภาพของแบตเตอรี่ที่มีอายุในยานยนต์ไฟฟ้า ทั้งยังมีแนวโน้มที่ดีสำหรับการยืดอายุอีกด้วย
ที่มา:
Interesting Engineering
