‘ข้าวโพด’ เพิ่มคุณภาพ ‘แบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์’ พลิกโฉมวงการรถ EV-พลังงานสะอาด

“แบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์” (Li-S) มีน้ำหนักเบากว่า ราคาถูกกว่า และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นจึงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับนำมาใช้กับรถยนต์ไฟฟ้าและระบบพลังงานแสงอาทิตย์ แต่แบตเตอรี่ประเภทนี้มีอายุการใช้งานไม่นาน ดูเหมือนปัญหานี้กำลังจะคลี่คลาย เมื่อนักวิจัยพบว่า โปรตีนจากข้าวโพดสามารถยืดอายุแบตเตอรี่ได้หลายร้อยรอบการชาร์จ 

ในแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ พลังงานจะถูกเก็บไว้ด้วยกำมะถัน ซึ่งเป็นวัสดุราคาถูกและไม่เป็นพิษ แต่ในระหว่างการชาร์จ กำมะถันบางส่วนอาจลอยเข้าไปปนเปื้อนกับของเหลวที่อยู่ในศูนย์กลางและทำปฏิกิริยากับลิเทียมที่เรียกว่า “Shuttle Effect” 

นอกจากนี้ ลิเทียมสามารถสร้างหนามโลหะเล็ก ๆ ที่เรียกว่าเดนไดรต์ สามารถเจาะทะลุชั้นกั้นภายในแบตเตอรี่และทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้ ส่งผลให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วกว่าแบตเตอรี่แบบธรรมดามาก

เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าว นักวิจัยได้นำ “เซอีน” (Zein) ซึ่งเป็นโปรตีนจากข้าวโพดเคลือบแผ่นกั้นที่อยู่ตรงกลางระหว่างขั้วบวกและลบของแบตเตอรี่ ชั้นกั้นนี้จะสร้างเกราะป้องกัน ไม่ให้กำมะถันรั่วซึมออกมาได้ และช่วยป้องกันไม่ให้เกิดเดนไดรต์

เนื่องจากโปรตีนจะพับเข้าหากันเองตามธรรมชาติ นักวิจัยจึงเติมพลาสติกที่มีความยืดหยุ่นในปริมาณเล็กน้อยเพื่อเปิดโครงสร้าง เพื่อทำให้โปรตีนแบนราบและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ทำให้กรดอะมิโนในโปรตีนสามารถโต้ตอบกับส่วนอื่น ๆ ของแบตเตอรี่ได้โดยตรงมากขึ้น

หลังจากใส่โปรตีนลงไปแล้ว นักวิจัยได้สร้างแบตเตอรี่ทดสอบขนาดเล็ก และพบว่าสามารถเก็บประจุได้มากกว่า 500 รอบ ซึ่งนานกว่าประสิทธิภาพทั่วไปที่ลิเทียม-ซัลเฟอร์มักจะทำได้

ดร.จิน หลิว ศาสตราจารย์จากคณะวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุและผู้เขียนบทความที่เกี่ยวข้อง กล่าวว่า “โปรตีนจากข้าวโพดเหมาะที่จะนำมาใช้เป็นวัสดุสำหรับแบตเตอรี่ เนื่องจากมีมากมาย เป็นธรรมชาติ และยั่งยืน”

ขณะนี้ ทีมงานกำลังศึกษาว่าส่วนใดของโครงสร้างโปรตีนเซอีนที่ช่วยให้แบตเตอรี่ทำงานได้ดียิ่งขึ้น หากรู้ว่ากรดอะมิโนตัวใดที่ช่วยปิดกั้นการเคลื่อนตัวของกำมะถันและป้องกันการก่อตัวของเดนไดรต์ ก็ยิ่งอาจช่วยปรับปรุงการออกแบบให้ดียิ่งขึ้นไปอีก

“โปรตีนเป็นโครงสร้างที่ซับซ้อนมาก เราจำเป็นต้องทำการศึกษาจำลองเพิ่มเติม เพื่อระบุว่ากรดอะมิโนใดในโครงสร้างโปรตีนที่สามารถทำงานได้ดีที่สุดในการแก้ปัญหาการใช้งานแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์” ดร.เคที จง ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุแห่งมหาวิทยาลัยวอชิงตันสเตท ผู้เขียนผลการศึกษากล่าว

การวิจัยยังอยู่ในระยะเริ่มต้น ทดสอบกับแบตเตอรี่ขนาดเหรียญเท่านั้น แต่ทีมงานหวังที่จะร่วมมือกับพันธมิตรในอุตสาหกรรม เพื่อทดสอบกับแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ขึ้น และหากการวิจัยดำเนินไปได้ด้วยดี แบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์สามารถอาจสามารถนำไปประโยชน์ในเชิงพาณิชย์ได้ จนแทนที่แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน โดยเฉพาะยานยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานหมุนเวียนขนาดใหญ่

คาดว่าความต้องการแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนทั่วโลกจะพุ่งสูงขึ้นในทศวรรษหน้า เฉพาะในปี 2023 การใช้งานแบตเตอรี่ในภาคพลังงานเพิ่มขึ้นมากกว่า 130% 

แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนใช้โลหะ เช่น โคบอลต์และนิกเกิล ที่สกัดได้จากการทำเหมืองที่ทำลายสิ่งแวดล้อมรุนแรง และมักมีการใช้แรงงานหนัก ต่างจากแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ที่มีกำมะถันเป็นส่วนประกอบ แม้ว่ากำมะถันจะเป็นผลพลอยได้จากการกลั่นน้ำมันและก๊าซ แต่กำมะถันจะใช้ของเสียที่มีอยู่แล้วแทนที่จะต้องสกัดใหม่

อีกทั้ง กำมะถันยังมีน้ำหนักเบากว่าออกไซด์ของโลหะที่ใช้ในแคโทดแบตเตอรี่แบบเดิม ดังนั้นการออกแบบแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์จึงมีแนวโน้มว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ที่เบากว่าสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้น นับป็นข้อได้เปรียบสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า เครื่องบิน และแม้แต่ระบบจัดเก็บพลังงานหมุนเวียนในระดับกริด

ด้วยกำมะถันและโปรตีนข้าวโพดที่มีอยู่ทั่วไป เทคโนโลยีดังกล่าวอาจลดต้นทุนการผลิตได้ ทำให้เข้าถึงได้ง่ายขึ้นเมื่อความต้องการระบบจัดเก็บพลังงานสะอาดเพิ่มขึ้น ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์อาจมีราคาถูกลงและอาจเป็นทางเลือกที่สะอาดกว่า เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีลิเทียมไอออนที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่ในปัจจุบัน

“งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นวิธีการที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพในการเตรียมตัวแยกฟังก์ชันเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่” ศ.จง กล่าว

ในโลกที่ให้ความสำคัญกับความยั่งยืนมากขึ้นเรื่อย ๆ การมุ่งหาความสามารถที่ซ่อนอยู่ในทรัพยากรธรรมชาติ ดังเช่นนำข้าวโพดมาใช้พัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ถือเป็นก้าวสำคัญของอุตสาหกรรมพลังงานสะอาด 

การวิจัยนี้ไม่เพียงแต่ให้แนวทางแก้ปัญหาที่เป็นรูปธรรมต่อข้อจำกัดของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังเน้นย้ำถึงศักยภาพของนวัตกรรมที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติในการแก้ไขปัญหาที่ทันสมัยอีกด้วย

ที่มา: Independent, Interesting Engineering, Science Daily, Sustainability Times