อนาคตของเทคโนโลยีแบตเตอรี่: ขั้วบวกซิลิคอน กราฟีน แบตเตอรี่อะลูมิเนียม-ออกซิเจน เป็นต้น

หมายเหตุจากบรรณาธิการ: เทคโนโลยีไฟฟ้าคืออนาคตของโลกสีเขียว และเทคโนโลยีแบตเตอรี่คือรากฐานของเทคโนโลยีไฟฟ้าและเป็นกุญแจสำคัญในการจำกัดการพัฒนาเทคโนโลยีไฟฟ้าในวงกว้าง เทคโนโลยีแบตเตอรี่หลักในปัจจุบันคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งมีความหนาแน่นพลังงานที่ดีและประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม ลิเธียมเป็นธาตุหายากที่มีราคาสูงและมีทรัพยากรจำกัด ในขณะเดียวกัน เมื่อการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก็ไม่เพียงพออีกต่อไป จะรับมืออย่างไร? มายันก์ เจน ได้รวบรวมเทคโนโลยีแบตเตอรี่บางอย่างที่อาจนำมาใช้ในอนาคต บทความต้นฉบับเผยแพร่บน Medium ในชื่อ: อนาคตของเทคโนโลยีแบตเตอรี่

โลกเต็มไปด้วยพลังงาน และเรากำลังทำทุกวิถีทางเพื่อดักจับและใช้พลังงานนั้นให้เกิดประโยชน์สูงสุด แม้ว่าเราจะทำได้ดีขึ้นในด้านการเปลี่ยนไปใช้พลังงานหมุนเวียน แต่เรายังไม่ประสบความสำเร็จมากนักในด้านการกักเก็บพลังงาน
ในปัจจุบัน เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีมาตรฐานสูงสุดคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่ชนิดนี้ดูเหมือนจะมีพลังงานหนาแน่นดีที่สุด ประสิทธิภาพสูง (ประมาณ 99%) และอายุการใช้งานยาวนาน
แล้วอะไรคือปัญหา? เมื่อปริมาณพลังงานหมุนเวียนที่เรานำมาใช้เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ความหนาแน่นของพลังงานในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงไม่เพียงพออีกต่อไป
เนื่องจากเราสามารถผลิตแบตเตอรี่เป็นล็อตๆ ได้อย่างต่อเนื่อง ดูเหมือนว่านี่จะไม่ใช่ปัญหาใหญ่ แต่ปัญหาคือลิเธียมเป็นโลหะที่ค่อนข้างหายาก ดังนั้นต้นทุนจึงไม่ต่ำ แม้ว่าต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่จะลดลง แต่ความต้องการการจัดเก็บพลังงานก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน
เรามาถึงจุดที่เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนผลิตเสร็จแล้ว มันจะส่งผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมพลังงาน
ข้อเท็จจริงที่ว่าเชื้อเพลิงฟอสซิลมีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่านั้นเป็นปัจจัยสำคัญที่ขัดขวางการเปลี่ยนผ่านไปสู่การพึ่งพาพลังงานหมุนเวียนอย่างสมบูรณ์ เราต้องการแบตเตอรี่ที่ให้พลังงานมากกว่าน้ำหนักตัวของเรา
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานอย่างไร
กลไกการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมคล้ายกับแบตเตอรี่เคมีทั่วไปขนาด AA หรือ AAA คือมีขั้วบวกและขั้วลบ และมีสารอิเล็กโทรไลต์อยู่ตรงกลาง แต่ต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปตรงที่ปฏิกิริยาการคายประจุในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นสามารถย้อนกลับได้ ดังนั้นจึงสามารถชาร์จแบตเตอรี่ซ้ำได้หลายครั้ง

ขั้วแคโทด (+) ทำจากลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ส่วนขั้วแอโนด (-) ทำจากกราไฟต์ ซึ่งกราไฟต์ทำจากคาร์บอน ไฟฟ้าคือการไหลของอิเล็กตรอน แบตเตอรี่เหล่านี้สร้างกระแสไฟฟ้าโดยการเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียมระหว่างแอโนดและแคโทด
เมื่อได้รับประจุ ไอออนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวก และเมื่อหมดประจุ ไอออนจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบ
การเคลื่อนที่ของไอออนนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงจร ดังนั้นการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจึงมีความสัมพันธ์กัน
แบตเตอรี่ขั้วบวกซิลิคอน
บริษัทผลิตรถยนต์ขนาดใหญ่หลายแห่ง เช่น BMW ได้ลงทุนในการพัฒนาแบตเตอรี่ขั้วบวกซิลิคอน แบตเตอรี่เหล่านี้ใช้ขั้วบวกลิเธียมเช่นเดียวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป แต่แทนที่จะใช้ขั้วบวกที่ทำจากคาร์บอน ก็ใช้ซิลิคอนแทน
ในฐานะขั้วบวก ซิลิคอนดีกว่ากราไฟต์เพราะกราไฟต์ต้องการอะตอมคาร์บอน 4 อะตอมในการยึดลิเธียม ในขณะที่อะตอมซิลิคอน 1 อะตอมสามารถยึดไอออนลิเธียมได้ 4 ไอออน นี่เป็นการพัฒนาครั้งสำคัญ...ทำให้ซิลิคอนแข็งแรงกว่ากราไฟต์ถึง 3 เท่า

อย่างไรก็ตาม การใช้ลิเธียมยังคงเป็นดาบสองคม วัสดุนี้ยังมีราคาแพง แต่ก็ง่ายกว่าที่จะเปลี่ยนโรงงานผลิตไปใช้เซลล์ซิลิคอน หากแบตเตอรี่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง โรงงานจะต้องได้รับการออกแบบใหม่ทั้งหมด ซึ่งจะทำให้ความน่าสนใจของการเปลี่ยนมาใช้ลิเธียมลดลงเล็กน้อย
ขั้วแอโนดซิลิคอนผลิตโดยการนำทรายมาผ่านกระบวนการเพื่อให้ได้ซิลิคอนบริสุทธิ์ แต่ปัญหาใหญ่ที่สุดที่นักวิจัยกำลังเผชิญอยู่ในปัจจุบันคือ ขั้วแอโนดซิลิคอนจะบวมเมื่อใช้งาน ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วเกินไป นอกจากนี้ การผลิตขั้วแอโนดในปริมาณมากก็ทำได้ยากเช่นกัน

แบตเตอรี่กราฟีน
กราฟีนเป็นคาร์บอนชนิดแผ่นบางที่ใช้คาร์บอนชนิดเดียวกับดินสอ แต่ต้องใช้เวลานานมากในการติดกราไฟต์เข้ากับแผ่นคาร์บอนเหล่านั้น กราฟีนได้รับการยกย่องในด้านประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในหลายด้าน และแบตเตอรี่ก็เป็นหนึ่งในนั้น

บางบริษัทกำลังพัฒนาแบตเตอรี่กราฟีนที่สามารถชาร์จเต็มได้ภายในไม่กี่นาที และคายประจุได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึง 33 เท่า ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า
แบตเตอรี่โฟม
ในปัจจุบัน แบตเตอรี่แบบดั้งเดิมมีลักษณะเป็นสองมิติ คือ อาจวางซ้อนกันเหมือนแบตเตอรี่ลิเธียม หรือม้วนเป็นทรงกระบอกเหมือนแบตเตอรี่ AA หรือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป
แบตเตอรี่โฟมเป็นแนวคิดใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในพื้นที่สามมิติ
โครงสร้างสามมิตินี้สามารถเร่งเวลาในการชาร์จและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญอย่างยิ่งของแบตเตอรี่ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ ส่วนใหญ่ แบตเตอรี่โฟมไม่มีอิเล็กโทรไลต์เหลวที่เป็นอันตราย
แบตเตอรี่แบบโฟมใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลว อิเล็กโทรไลต์ชนิดนี้ไม่เพียงแต่เป็นตัวนำไอออนลิเธียมเท่านั้น แต่ยังเป็นฉนวนป้องกันอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ อีกด้วย

ขั้วบวกซึ่งทำหน้าที่กักเก็บประจุลบของแบตเตอรี่นั้นทำจากทองแดงโฟมและเคลือบด้วยวัสดุที่ใช้งานได้ตามต้องการ
จากนั้นจึงใช้สารอิเล็กโทรไลต์แข็งทารอบขั้วบวก
สุดท้ายนี้ จะมีการใช้สิ่งที่เรียกว่า "สารวางขั้วบวก" เพื่ออุดช่องว่างภายในแบตเตอรี่
แบตเตอรี่อะลูมิเนียมออกไซด์

แบตเตอรี่เหล่านี้มีค่าความหนาแน่นพลังงานสูงที่สุดชนิดหนึ่งเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ พลังงานของมันมีประสิทธิภาพมากกว่าและเบากว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน บางคนอ้างว่าแบตเตอรี่เหล่านี้สามารถให้พลังงานแก่รถยนต์ไฟฟ้าได้ไกลถึง 2,000 กิโลเมตร แนวคิดนี้เป็นอย่างไร? เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง ระยะทางการวิ่งสูงสุดของ Tesla อยู่ที่ประมาณ 600 กิโลเมตรเท่านั้น
ปัญหาของแบตเตอรี่เหล่านี้คือไม่สามารถชาร์จไฟได้ แบตเตอรี่เหล่านี้ผลิตอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยาระหว่างอะลูมิเนียมและออกซิเจนในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีน้ำเป็นส่วนประกอบ การใช้งานแบตเตอรี่ทำให้สิ้นเปลืองอะลูมิเนียมในฐานะขั้วบวก
แบตเตอรี่โซเดียม
ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นกำลังทำงานวิจัยเพื่อสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้โซเดียมแทนลิเธียม
นี่จะเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ เนื่องจากแบตเตอรี่โซเดียมมีประสิทธิภาพมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมถึง 7 เท่าในทางทฤษฎี ข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ โซเดียมเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับที่ 6 ในแหล่งสำรองของโลก เมื่อเทียบกับลิเธียมซึ่งเป็นธาตุหายาก