คณะนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนาสเตต และมหาวิทยาลัยไรซ์ พัฒนาแบตเตอรี่ฟิล์มบางชนิดใหม่ที่ทำงานได้โดยไม่ต้องอาศัยสารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลวแบบเดิม แบตเตอรี่นี้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ปลอดสารพิษ และมีความยืดหยุ่นสูง เหมาะสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์สวมใส่และอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (Internet of Things หรือ IoT)
แบตเตอรี่จะอยู่ในสถานะแห้งและไม่ทำงานขณะอยู่ในบรรจุภัณฑ์ แต่จะทำงานทันทีเมื่อสัมผัสกับความชื้นในบรรยากาศ นวัตกรรมนี้ช่วยแก้ปัญหาการรั่วไหลของสารเคมีและลดน้ำหนักของอุปกรณ์ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้บรรจุภัณฑ์ที่แข็งแรงเพื่อกักเก็บของเหลวเหมือนแบตเตอรี่ทั่วไป
การทำงานของแบตเตอรี่นี้ อาศัยขั้วลบแมกนีเซียมและขั้วบวกซิลเวอร์คลอไรด์ ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในอุปกรณ์ทางการแพทย์ ระหว่างขั้วไฟฟ้ามีแผ่นกั้นสองส่วนที่ทำหน้าที่สำคัญ ส่วนแรกเป็นแผ่นเซลลูโลสที่ชุ่มด้วยลิเธียมคลอไรด์ ซึ่งเป็นเกลือที่ดูดซับน้ำได้ดีมากจนสามารถดึงไอน้ำจากอากาศและควบแน่นเป็นของเหลวได้
ส่วนที่สอง ทำหน้าที่ดูดซับน้ำและละลายเกลือ เพื่อสร้างอิเล็กโทรไลต์ที่ช่วยให้แบตเตอรี่ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ เนื่องจากแบตเตอรี่จะยังคงไม่ทำงานอยู่ภายในบรรจุภัณฑ์ที่ปิดสนิท จึงสามารถเก็บไว้ได้เป็นเวลานานก่อนนำไปใช้ นักวิจัยกล่าวว่าการออกแบบนี้ยังช่วยขจัดอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นพิษและติดไฟได้ ซึ่งมักพบในแบตเตอรี่ทั่วไปอีกด้วย
แบตเตอรี่ฟิล์มที่ทำงานได้โดยความชื้นในอากาศ
เครดิตภาพ: Rajaram Kaveti
แบตเตอรี่รุ่นนี้ ให้แรงดันไฟฟ้าประมาณ 1.6 โวลต์ ซึ่งเทียบเท่าหรือสูงกว่าแบตเตอรี่ขนาด AA มาตรฐานเล็กน้อย อีกทั้งยังมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ เพราะแทบไม่มีการคายประจุในระหว่างการจัดเก็บ เนื่องจากตัวเซลล์จะไม่มีปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นจนกว่าจะได้รับความชื้น
รศ.อาเม แบนดอดการ์ จากมหาวิทยาลัยนอร์ทแคโรไลนาสเตต หนึ่งในผู้ร่วมวิจัยหลัก กล่าวว่า “แบตเตอรี่ของเราช่วยกำจัดสารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นพิษและไวไฟออกไป เพราะมันทำงานด้วยน้ำเกลือเป็นหลัก และเนื่องจากมันจะเริ่มทำงานเมื่อสัมผัสอากาศเท่านั้น ทำให้มันมีอายุการเก็บรักษาที่ยาวนานขึ้นมากเมื่ออยู่ในบรรจุภัณฑ์ที่ปิดสนิท”
ทีมวิจัยได้รับแรงบันดาลใจในการสร้างแบตเตอรี่นี้มาจาก “ตัวนิ่ม” โดยการวางเซลล์แบตเตอรี่ที่มีความแข็งซ้อนทับกันเหมือนเกล็ด การออกแบบนี้ช่วยให้แบตเตอรี่สามารถยืดออกได้ถึง 80% และบิดงอได้โดยไม่สูญเสียความหนาแน่นของพลังงาน เนื่องจากใช้สายไฟรูปตัวเอส (S-shaped wires) ที่เชื่อมต่อกันจะช่วยรับแรงตึงขณะที่ตัวเซลล์แบตเตอรี่ยังคงถูกปกป้องไว้
ราอูเดล อาวิลา อาจารย์ผู้ช่วยด้านวิศวกรรมเครื่องกลจากมหาวิทยาลัยไรซ์ อธิบายถึงการออกแบบนี้ว่า “แบบจำลองของเราแสดงให้เห็นว่าการวางซ้อนกันแบบเลียนแบบชีวภาพและตัวเชื่อมต่อที่ยืดหยุ่นสามารถกระจายแรงบิดเบี้ยวไปทั่วแบตเตอรี่ ช่วยรักษาประสิทธิภาพภายใต้การบิดหรืองอ ในขณะที่ลดช่องว่างที่มักจะทำให้ความหนาแน่นของพลังงานลดลงในดีไซน์แบบยืดหยุ่นอื่น ๆ”
ทีมนักวิจัยทดลองเอาแบตเตอรี่นี้ ไปใส่ในเครื่องวัดออกซิเจนในเลือดแบบไร้สายพบว่า สามารถทำงานได้นานถึง 30 ชั่วโมง และอุปกรณ์นี้สามารถส่งข้อมูลระดับออกซิเจนและอัตราการเต้นของหัวใจไปยังสมาร์ทโฟนได้แบบเรียลไทม์
นอกจากนี้ แบตเตอรี่นี้ยังมีสวิตช์ตัดการทำงาน เมื่อมีการกดหรือพยายามงัดแงะอุปกรณ์ ความชื้นจากอากาศจะถูกส่งไปกระตุ้นปฏิกิริยารุนแรงระหว่างผงอะลูมิเนียมและไอโอดีน ทำให้เกิดการลุกไหม้เพื่อเผาทำลายแผงวงจรและข้อมูลภายในได้ในเวลาเพียง 3 นาที ซึ่งเป็นระบบความปลอดภัยแบบ “ซีโร่ทรัสต์” (Zero-trust) ในการณีที่ใช้ทำภารกิจลับ
นักวิจัยยังระบุอีกว่า แบตเตอรี่นี้มีน้ำหนักเบา เข้ากันได้ทางชีวภาพ ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ และออกแบบโดยใช้วัสดุที่ไม่เป็นพิษ ทำให้เป็นทางเลือกที่มีศักยภาพแทนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นและอุปกรณ์ทางการแพทย์แบบใช้แล้วทิ้ง
