พัฒนา ‘แบตเตอรี่โซเดียมไอออน’ ใช้งานนาน 5,000 ชั่วโมง ทนความร้อนสูง

แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนจะครองตลาดระบบกักเก็บพลังงานมาอย่างยาวนาน แต่ในปัจจุบันลิเทียมเริ่มหายากขึ้น และการขุดแร่ก็ทำให้เกิดผลกระทบทางสิ่งแวดล้อมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ที่สำคัญที่สุดคือปัญหาด้านความปลอดภัยจากการใช้สารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลวไวไฟ ทำให้หลายประเทศมองหาทางเลือกใหม่ที่ยั่งยืนและปลอดภัยกว่า หนึ่งในนั้นคือ “แบตเตอรี่โซเดียมไอออน” 

นักวิจัยจากสถาบันออสเตรเลียเพื่อวิศวกรรมชีวภาพและนาโนเทคโนโลยี (AIBN) แห่งมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ ประกาศความสำเร็จในการพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ที่ใช้สารอิเล็กโทรไลต์สถานะแข็งชนิดใหม่ ไม่เพียงแต่แก้ปัญหาเรื่องการลุกไหม้ แต่ยังพิสูจน์ให้เห็นถึงความทนทานอย่างเหนือชั้นด้วยการทำงานได้ต่อเนื่องยาวนานกว่า 5,000 ชั่วโมงในการทดสอบระดับห้องปฏิบัติการ

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนแบบเดิมไม่เป็นที่นิยมใช้มากนัก เนื่องจากปัญหาด้านความปลอดภัย เนื่องจากสารอิเล็กโทรไลต์เหลว ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวกลางให้ไอออนเคลื่อนที่ระหว่างขั้วไฟฟ้า มีคุณสมบัติที่ไวไฟและมีความร้อนสูงเกินไป จนทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร และไฟไหม้ตามมาได้ ทั้งหมดนี้เป็นผลมาจากอิเล็กโทรไลต์ไม่เสถียร เมื่อมีการชาร์จซ้ำ ๆ ทำให้แบตเตอรี่ไม่ปลอดภัยและไม่น่าเชื่อถือ

เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมนักวิจัยของ AIBN ได้คิดค้นสารอิเล็กโทรไลต์สถานะแข็งชนิดใหม่ที่มีลักษณะคล้ายพลาสติกและไม่ติดไฟ โดยให้ชื่อว่า P(Na3-EO7)-PFPE ซึ่งเป็นบล็อกโคพอลิเมอร์ที่มีส่วนประกอบของฟลูออรีน ความโดดเด่นของวัสดุนี้ไม่ได้อยู่ที่ความทนทานต่อไฟเท่านั้น แต่อยู่ที่การวิศวกรรมโครงสร้างภายในระดับโมเลกุล โดยนักวิจัยได้ปรับเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นรูปแบบที่เรียกว่า “บอดี้เซ็นเตอร์คิวบิก” (Body-centered cubic structure) ซึ่งสร้างอุโมงค์ขนาดเล็กเพื่อให้ไอออนโซเดียมสามารถเดินทางผ่านได้อย่างราบรื่น 

โจว เฉิน นักศึกษาปริญญาเอก หนึ่งในทีมวิจัยอธิบายถึงเบื้องหลังความสำเร็จนี้ว่า การปรับแผนผังโครงสร้างให้เป็นแบบบอดี้เซ็นเตอร์คิวบิก ช่วยให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพให้กับอุโมงค์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเนื้อวัสดุได้ ซึ่งการออกแบบนี้ช่วยให้ไอออนเคลื่อนที่ได้มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ลิเทียม แต่มีความปลอดภัยสูงกว่าเพราะช่วยยับยั้งการเกิดเดนไดรต์ที่เป็นอันตรายไปในตัว

ผลการทดสอบแบตเตอรี่ต้นแบบนี้ สร้างความตื่นเต้นให้กับอุตสาหกรรมพลังงานเป็นอย่างมาก เพราะสามารถทำงานภายใต้อุณหภูมิสูงถึง 80 องศาเซลเซียส ได้ยาวนานกว่า 5,000 ชั่วโมง และยังคงรักษาความจุเดิมไว้ได้สูงถึง 91% แม้จะผ่านการชาร์จและคลายประจุอย่างรวดเร็วถึง 1,000 รอบ ความทนทานในระดับนี้ถือเป็นกุญแจสำคัญสำหรับการนำไปใช้งานจริงในระดับโครงข่ายไฟฟ้า 

ดร.เฉิง จาง ผู้นำการวิจัย กล่าวว่า ประสิทธิภาพการทำงานในระยะยาวในลักษณะนี้เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการจัดเก็บพลังงานระดับโครงข่ายไฟฟ้า เพราะระบบเหล่านี้ต้องการเทคโนโลยีที่สามารถทำงานได้นานหลายปีโดยมีการเสื่อมสภาพต่ำที่สุดเพื่อให้คุ้มค่าต่อการลงทุนในระยะยาว

มิติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือความได้เปรียบทางเศรษฐศาสตร์และภูมิรัฐศาสตร์ โซเดียมเป็นธาตุที่พบได้ทั่วไปในเกลือแกงหรือน้ำทะเล ซึ่งมีอยู่ทุกที่ แตกต่างจากลิเทียมที่มีราคาแพงและมีแหล่งสำรองจำกัดในเพียงไม่กี่ประเทศ การเปลี่ยนมาใช้โซเดียมจึงช่วยลดความตึงเครียดในห่วงโซ่อุปทานโลก และช่วยให้ประเทศที่ไม่มีแหล่งแร่ลิเทียมสามารถสร้างระบบจัดเก็บพลังงานของตนเองได้ด้วยต้นทุนที่ต่ำลง 

นอกจากนี้ แบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่พัฒนาขึ้นใหม่นี้ยังไม่จำเป็นต้องใช้แร่ธาตุที่มีปัญหาด้านจริยธรรมและสิ่งแวดล้อมอย่างโคบอลต์หรือนิกเกิลในส่วนของขั้วแคโทด ซึ่งเป็นการยกระดับความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมไปอีกขั้น

อย่างไรก็ตาม แม้ผลการทดสอบที่อุณหภูมิสูงจะประสบความสำเร็จอย่างงดงาม แต่ความท้าทายต่อไปคือการทำให้แบตเตอรี่โซเดียมสถานะแข็งนี้ทำงานได้ดีที่อุณหภูมิห้องปรกติ เพื่อให้สามารถนำไปใช้งานในอุปกรณ์พกพาหรือยานพาหนะทั่วไปได้อย่างแพร่หลาย เฉินระบุว่าทีมงานได้ทำการทดสอบโครงสร้างภายในหลากหลายรูปแบบเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการนำส่งไอออนที่ลื่นไหลที่สุด 

ปัจจุบันมีงานวิจัยคู่ขนานในระดับสากลที่เริ่มแสดงให้เห็นความเป็นไปได้ในการใช้แบตเตอรี่โซเดียมที่อุณหภูมิปรกติ หรือแม้แต่ในสภาพอากาศหนาวจัด ซึ่งเป็นการตอกย้ำว่ายุคของโซเดียมกำลังใกล้เข้ามาถึง

นวัตกรรมแบตเตอรี่โซเดียมจากมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์เปรียบเสมือนการสร้างมาตรฐานใหม่ให้กับระบบกักเก็บพลังงานของโลก การผสานความปลอดภัยจากวัสดุสถานะแข็งเข้ากับความประหยัดของโซเดียม และเสริมด้วยอายุการใช้งานที่ยาวนานเกินกว่า 5,000 ชั่วโมง เป็นสัญญาณที่ชัดเจนว่าการพึ่งพาลิเทียมเพียงอย่างเดียวอาจกำลังสิ้นสุดลง 

หากเทคโนโลยีนี้นำไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ได้สำเร็จ เราจะได้เห็นโครงข่ายไฟฟ้าที่มั่นคงขึ้น สามารถเก็บสำรองพลังงานสะอาดไว้ใช้ได้อย่างสม่ำเสมอไม่ว่าจะเป็นเวลาที่แสงแดดหมดไปหรือกระแสลมหยุดนิ่ง ซึ่งจะเป็นรากฐานสำคัญในการขับเคลื่อนสังคมไปสู่เป้าหมายการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเป็นศูนย์อย่างแท้จริง

ที่มา: Earth, Energy Reporters, Interesting Engineering