“แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน” ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน มีอายุการใช้งานที่ค่อนข้างสั้นเพียง 1,000-3,000 รอบการชาร์จ ซึ่งเมื่อเสื่อมสภาพแล้วมักกลายเป็นขยะอันตรายที่จัดการได้ยากและส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง ทีมนักวิจัยจึงพยายามหาวิธีการแก้ปัญหานี้ หนึ่งในนั้นคือการใช้ “แบตเตอรี่แบบใช้น้ำ” ที่ปลอดภัยกับสิ่งแวดล้อมมากกว่า
ทีมนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแห่งเมืองฮ่องกง (CityUHK) และมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีภาคใต้ ร่วมกันพัฒนาแบตเตอรี่แบบใช้น้ำที่มีความทนทานสูงเป็นประวัติการณ์ แบตเตอรี่รุ่นใหม่นี้ถูกออกแบบมาให้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันหลายสิบปี โดยใช้น้ำเกลือซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตเต้าหู้เป็นส่วนประกอบหลัก ความสำเร็จนี้ถือเป็นก้าวสำคัญในการแก้ไขปัญหาด้านความปลอดภัยและสิ่งแวดล้อมที่เกิดจากแบตเตอรี่แบบเดิม
น้ำเกลือเต้าหู้อุดมไปด้วยโซเดียม แมกนีเซียม และแคลเซียม จะทำให้สภาพแวดล้อมภายในแบตเตอรี่ให้มีความเป็นกลาง ซึ่งช่วยลดการกัดกร่อนที่มักเกิดขึ้นในแบตเตอรี่ทั่วไป ต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดและมีสารเคมีอันตราย แต่แบตเตอรี่แบบใช้น้ำนี้ทำงานในสภาพที่ปลอดภัยระดับน้ำเกลือทั่วไป และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างสูงสุด
จากการทดสอบพบว่า แบตเตอรี่น้ำเกลือเต้าหู้มีประสิทธิภาพสูงมาก สามารถชาร์จได้มากกว่า 120,000 ครั้งโดยที่ประสิทธิภาพแทบไม่ลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปที่มักจะเริ่มเสื่อมสภาพหลังจากผ่านไปเพียง 1,000-3,000 รอบเท่านั้น ด้วยความเสถียรสูงเช่นนี้ จึงทำให้แบตเตอรี่นี้กลายเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับการใช้งานในระยะยาวที่ต้องการความเสถียรสูง
ทั้งหมดนี้ เป็นผลมาจากการเลือกใช้ขั้วไฟฟ้าแบบอินทรีย์แทนที่ขั้วไฟฟ้าโลหะแบบเดิม ซึ่งถูกออกแบบมาให้เลียนแบบกระบวนการเก็บสะสมพลังงานตามธรรมชาติในสิ่งมีชีวิต ทำให้สามารถขยายตัวและหดตัวระหว่างการชาร์จได้โดยไม่เกิดความเสียหายต่อโครงสร้าง อีกทั้งยังใช้สารประกอบอะนาล็อกของพรัสเซียนบลู (PBAs) เป็นสารประกอบเชิงซ้อนโลหะอินทรีย์ในขั้วไฟฟ้าบวกยังช่วยให้การแลกเปลี่ยนไอออนเป็นไปอย่างราบรื่นและมั่นคงแม้จะผ่านการใช้งานอย่างหนักหน่วงในน้ำ
ศ.หลี่เว่ย หัวหน้าทีมวิจัยได้เปรียบเทียบการทำงานของแบตเตอรี่ทั่วไปกับการวิ่งมาราธอนท่ามกลางฝนกรดที่สภาพแวดล้อมจะทำลายตัวนักวิ่งเอง แต่สำหรับระบบใหม่นี้เหมือนกับการวิ่งในสภาพอากาศที่เหมาะสม ช่วยให้นักวิ่งสามารถรักษาศักยภาพได้ยาวนานกว่ามาก ช่วยลดปฏิกิริยาข้างเคียงที่คอยกัดกินขั้วไฟฟ้าจนทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพ
นอกจากนี้ แบตเตอรี่แบบใช้น้ำแทบจะไม่มีความเสี่ยงเรื่องการติดไฟหรือการเกิดความร้อนสะสมจนระเบิดเหมือนแบตเตอรี่ลิเธียม เนื่องจากสารอิเล็กโทรไลต์ไม่เป็นพิษและไม่ติดไฟ จึงสามารถทิ้งหรือทำลายได้โดยไม่ก่อให้เกิดอันตรายต่อระบบนิเวศ มาตรฐานความปลอดภัยนี้อยู่ในระดับเดียวกับน้ำเกลือที่สามารถพบได้ทั่วไป ทำให้ลดความยุ่งยากและต้นทุนในการจัดการขยะอันตรายจากแบตเตอรี่ในอนาคต
ในเชิงทฤษฎี หากเรานำแบตเตอรี่ที่มีความทนทาน 120,000 รอบนี้มาใช้งานกับอุปกรณ์ที่ชาร์จเพียงวันละครั้ง มันจะสามารถใช้งานได้นานกว่า 300 ปีเลยทีเดียว แม้ในสภาพการใช้งานจริงที่อาจมีความหนักหน่วงกว่านั้น อายุการใช้งาน 100 ปีจึงเป็นตัวเลขที่สมเหตุสมผลและมีความเป็นไปได้สูง ความทนทานระดับศตวรรษนี้จะช่วยลดภาระในการบำรุงรักษาและการเปลี่ยนอุปกรณ์ในโครงสร้างพื้นฐานที่ต้องตั้งอยู่กับที่เป็นเวลานาน
ที่สำคัญ ต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่น้ำเกลือเต้าหู้ถูกกว่าแบตเตอรี่ทั่วไป เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้การเคลือบป้องกันสารกัดกร่อนราคาแพง อีกทั้งวัตถุดิบอย่างแมกนีเซียมและแคลเซียมสามาหารหาได้ในดินและธรรมชาติ ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาแร่ธาตุหายากที่มีราคาผันผวน สิ่งนี้ไม่เพียงแต่ส่งผลดีต่อเศรษฐกิจ แต่ยังช่วยลดความขัดแย้งในการแย่งชิงทรัพยากรแร่ธาตุที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่แบบเดิม
ทางด้าน ดร.เควิน จาง นักวิเคราะห์อุตสาหกรรมเทคโนโลยี มองว่านวัตกรรมนี้จะเปลี่ยนวิธีที่เราออกแบบและจำหน่ายผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ไปอย่างสิ้นเชิง เขาตั้งคำถามว่าทำไมเราต้องสร้างสินค้าที่ถูกกำหนดวันหมดอายุไว้ล่วงหน้า ในเมื่อแหล่งพลังงานสามารถอยู่ได้นานหลายทศวรรษ ความคิดนี้อาจบีบให้ภาคธุรกิจต้องคิดทบทวนรูปแบบโมเดลธุรกิจที่เคยพึ่งพาการซื้อซ้ำเนื่องจากแบตเตอรี่เสื่อมสภาพ
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่แบบใช้น้ำยังมีข้อจำกัดในเรื่องของความหนาแน่นของพลังงานที่ยังต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งหมายความว่ามันอาจจะมีขนาดใหญ่และหนักกว่าเมื่อเทียบกับพลังงานที่จ่ายได้ในปริมาณเท่ากัน ด้วยเหตุนี้ ในช่วงแรกของการทำตลาด นักวิจัยจึงมุ่งเป้าไปที่การใช้งานในระดับโครงสร้างพื้นฐาน เช่น การเก็บสำรองพลังงานสำหรับฟาร์มโซลาร์เซลล์หรือกังหันลม
รวมถึงการนำไปประยุกต์ใช้ในการสำรองข้อมูลสำหรับศูนย์ข้อมูล หรือคลังแสงทางการทหารก็เป็นอีกหนึ่งความเป็นไปได้ที่น่าสนใจ เนื่องจากสถานที่เหล่านี้ให้ความสำคัญกับความมั่นคงและอายุการใช้งานที่ยาวนานมากกว่าเรื่องของน้ำหนัก ความเสถียรในสภาวะที่ไม่มีการติดไฟยังช่วยเพิ่มความปลอดภัยให้กับข้อมูลและอุปกรณ์สำคัญในจุดยุทธศาสตร์เหล่านี้ได้อย่างดีเยี่ยม
สำหรับก้าวต่อไปในการพัฒนา ทีมวิจัยหวังว่าจะสามารถขยายขนาดการผลิตให้ได้มาตรฐานอุตสาหกรรมภายใน 5-7 ปีข้างหน้า ความท้าทายหลักคือการรักษาสม่ำเสมอของโครงสร้างรูพรุนในขั้วไฟฟ้าอินทรีย์เมื่อผลิตในปริมาณมาก เพื่อให้มั่นใจว่าแบตเตอรี่ทุกลูกจะมีประสิทธิภาพที่คงที่ หากสามารถข้ามผ่านอุปสรรคด้านการผลิตไปได้ แบตเตอรี่น้ำเกลือเต้าหู้จะกลายเป็นหัวใจสำคัญของการใช้พลังงานสะอาดในอนาคต
นวัตกรรมแบตเตอรี่น้ำเกลือเต้าหู้ไม่เพียงจะมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม แต่ยังเป็นเรื่องของจริยธรรมในการรับผิดชอบต่อโลก การลดการปล่อยมลพิษและการใช้ทรัพยากรหมุนเวียนในการสร้างแหล่งพลังงาน คือคำตอบของการพัฒนาที่ยั่งยืนอย่างแท้จริง เมื่อแบตเตอรี่หนึ่งก้อนสามารถอยู่ได้นานชั่วอายุคน มันคือการสร้างมรดกทางเทคโนโลยีที่จะช่วยปกป้องสิ่งแวดล้อมไว้ให้กับคนรุ่นหลังได้อย่างดีที่สุด
ที่มา: Earth, Green Matters, Interesting Engineering, South China Morning Post