ความก้าวหน้าที่ขัดต่อสัญชาตญาณในเคมีศาสตร์แบตเตอรี่
มานานแล้ว ผู้ผลิตแบตเตอรี่ได้ถือว่าน้ำเป็นศัตรู กระบวนการผลิตแบตเตอรี่ที่เก็บประจุได้มักเกี่ยวข้องกับการทำให้วัสดุขั้วเหล่านั้นแห้งอย่างระมัดระวังที่อุณหภูมิสูงเพื่อกำจัดความชื้นทั้งหมด ตอนนี้ นักวิจัยจาก University of Surrey ได้พลิกข้อสันนิษฐานนั้นด้วยการค้นพบที่อาจปรับรูปแบบเศรษฐศาสตร์ของการเก็บพลังงานขนาดใหญ่
ทีมวิจัยพบว่าการเก็บโมเลกุลน้ำไว้ในวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ sodium-ion เพิ่มความจุเก็บพลังงานเกือบเท่าตัวเมื่อเทียบกับเวอร์ชันที่ถูกทำให้แห้งของวัสดุเดียวกัน ผลการวิจัยที่ตีพิมพ์ใน Journal of Materials Chemistry A บ่งชี้ว่าวิธีการมาตรฐานของอุตสาหกรรมในการผลิตแบตเตอรี่อาจทำให้การเพิ่มประสิทธิภาพลดลง
"วัสดุแสดงประสิทธิภาพและเสถียรภาพที่แข็งแกร่งมากกว่าที่คาดไว้" กล่าวโดย Daniel Commandeur นักวิจัยหลักจาก University of Surrey การค้นพบนี้เปิดเส้นทางที่มีสัญญาสำหรับแบตเตอรี่ sodium-ion ซึ่งมีปัญหาในการจับคู่ความหนาแน่นของพลังงานกับแบตเตอรี่ lithium-ion แม้ว่าจะมีข้อดีที่น่าดึงดูดในด้านต้นทุนและความยั่งยืน
น้ำทำให้ประสิทธิภาพ sodium-ion เหนือกว่าอย่างไร
กลไกที่อยู่เบื้องหลังการปรับปรุงนี้เรียบง่ายอย่างหรูหรา แคโทดในการศึกษาครั้งนี้ทำจาก nanostructured vanadate hydrate หรือ NVOH เมื่อโมเลกุลน้ำยังคงฝังตัวอยู่ในโครงสร้างผลึกของวัสดุ พวกมันทำให้ชั้นในแคโทดขยายตัวเล็กน้อย การขยายตัวของระยะห่างนี้สร้างพื้นที่เพิ่มเติมสำหรับไอออน sodium ในการเคลื่อนที่เข้าและออกในช่วงรอบ charge และ discharge
ลองคิดว่ามันเหมือนกับการขยายทางเดินในคลังสินค้า ด้วยพื้นที่มากขึ้น ไอออน sodium สามารถไหลได้อย่างเสรีและในจำนวนมากขึ้น ซึ่งช่วยให้แคโทดสามารถรับและปล่อยประจุได้มากขึ้นต่อรอบ โมเลกุลน้ำทำหน้าที่เป็นเสากำหนด โดยเปิดสถาปัตยกรรมแบบชั้นของแคโทดและป้องกันไม่ให้ยุบตัวตลอดการเดินทางซ้ำ ๆ
แบตเตอรี่ทดสอบที่สร้างจากวัสดุแคโทดที่มีความชื้นรักษาเสถียรภาพสำหรับมากกว่า 400 charge cycles ซึ่งแสดงให้เห็นว่าน้ำไม่สลายตัวหรือทำให้ electrode ไม่เสถียรตามกาลเวลา วัสดุ NVOH ตอนนี้ถือว่าเป็นหนึ่งในวัสดุแคโทดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับแบตเตอรี่ sodium-ion ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่นักวิจัยและอุตสาหกรรมมองว่าเป็นส่วนเสริมของ lithium-ion สำหรับการใช้งานการเก็บพลังงานแบบนิ่ง
เหตุใดแบตเตอรี่ sodium-ion จึงมีความสำคัญ
แบตเตอรี่ lithium-ion ครอบงำตลาดแบตเตอรี่ที่เก็บประจุได้ด้วยเหตุผลที่ดี พวกมันบรรจุพลังงานมหาศาลลงในแพคเกจขนาดเล็กและเบา ทำให้เหมาะสำหรับสมาร์ตโฟน แล็ปท็อป และรถยนต์พลังงานไฟฟ้า แต่ lithium มาพร้อมกับปัญหา ธาตุนี้เข้มข้นในประเทศไม่กี่แห่ง การเหมืองแร่ต้องใช้น้ำจำนวนมหาศาล และความซับซ้อนทางภูมิศาสตร์การเมืองของห่วงโซ่อุปทาน lithium กลายมาเป็นข้อกังวลที่เพิ่มขึ้นสำหรับรัฐบาลและผู้ผลิต
Sodium ในทางกลับกันเป็นหนึ่งในธาตุที่มีมากที่สุดบนโลก สามารถแยกจากน้ำทะเลในส่วนหนึ่งของต้นทุนการเหมืองแร่ lithium และแบตเตอรี่ sodium-ion มักจะปลอดภัยต่อการใช้งาน โดยมีความเสี่ยงต่ำของ thermal runaway และไฟ ข้อดีเหล่านี้ทำให้เทคโนโลยี sodium-ion น่าสนใจเป็นพิเศษสำหรับการเก็บพลังงาน grid ขนาดใหญ่ โดยที่น้ำหนักและขนาดมีความสำคัญน้อยกว่าต้นทุน ความปลอดภัย และความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทาน
อุปสรรคนั้นเป็นความหนาแน่นของพลังงานเสมอ แบตเตอรี่ sodium-ion เก็บพลังงานค่อนข้างน้อยต่อน้ำหนักหรือปริมาณหน่วยเมื่อเทียบกับเซลล์ lithium-ion ซึ่งจำกัดการใช้งานจริง การค้นพบของทีม Surrey โดยเพิ่มความจุแคโทดเกือบเท่าตัว เป็นก้าวหนึ่งที่มีความหมายต่อการปิดช่องว่างนั้น
การค้นพบโบนัส: ศักยภาพการระบายเค็มน้ำ
ในการบิดเบี้ยวที่ไม่คาดคิด นักวิจัยยังพบว่าวัสดุแคโทดที่มีความชื้นของพวกมันทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็น electrode desalination แบบ electrochemical เมื่อใช้ในการตั้งค่า electrochemical desalination วัสดุ NVOH สามารถกำจัดเค็มออกจากน้ำในขณะที่เก็บพลังงานพร้อมกัน ความสามารถที่มีการใช้งานสองครั้งนี้ยกขึ้นความเป็นไปได้ที่น่ารวมของระบบแบตเตอรี่ที่สามารถรวมเข้ากับสถานีระบายเค็มในชุมชนชายฝั่งทะเล โดยสร้างทั้งพลังงานที่เก็บไว้และน้ำจืดจากน้ำทะเล
แม้ว่าการใช้งานดังกล่าวยังคงเป็นการคาดเดา การค้นพบนี้บ่งชี้ถึงศักยภาพที่กว้างขึ้นสำหรับวัสดุนอกเหนือจากการใช้แบตเตอรี่ปกติ ในภูมิภาคที่ทั้งน้ำสะอาดและการเก็บพลังงานที่เชื่อถือได้เป็นความต้องการเร่งด่วน เทคโนโลยีที่แก้ไขความท้าทายทั้งสองพร้อมกันอาจพิสูจน์ได้ว่าเป็นประโยชน์อย่างมาก
เส้นทางสู่การสินค้าการค้า
ความหมายทันทีของการค้นพบมีความสำคัญส่วนใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ sodium-ion ที่กำลังเติบโต บริษัทในประเทศจีน รวมถึง CATL และ HiNa Battery ได้เริ่มต้นการผลิตเชิงพาณิชย์ของเซลล์ sodium-ion สำหรับรถยนต์พลังงานไฟฟ้าและการเก็บพลังงาน หากวิธีการแคโทดที่มีความชื้นสามารถขยายขนาดและรวมเข้ากับกระบวนการผลิตที่มีอยู่ มันอาจปรับปรุงการแข่งขันของเทคโนโลยี sodium-ion อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับทางเลือก lithium-ion
ความเรียบง่ายของวิธีการนี้น่ากระตุ้นเป็นพิเศษ แทนที่จะต้องใช้วัสดุใหม่ที่แปลก ๆ หรือเทคนิคการผลิตที่ซับซ้อน การปรับปรุงนั้นมาจากการทำน้อยลง โดยเฉพาะจากการข้ามขั้นตอนการ drying ที่ต้องใช้พลังงานมาก ซึ่งเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานในการผลิตแคโทด นี่อาจแปลเป็นทั้งประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่า การรวมกันที่หายากในการวิจัยแบตเตอรี่
เนื่องจากโลกกำลังแข่งขันเพื่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานการเก็บพลังงานที่จำเป็นเพื่อสนับสนุนตารางพลังงาน renewable energy เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ราคาไม่แพงและยืดหยุ่นจะเป็นสิ่งสำคัญ งานของทีม Surrey บ่งชี้ว่าคำตอบที่ดีกว่าสำหรับแบตเตอรี่อาจถูกซ่อนไว้ตรงหน้าทั้งหมด ในน้ำที่ผู้ผลิตได้พยายามลบออกอย่างระมัดระวัง
บทความนี้อิงตามรายงานโดย New Atlas อ่านบทความต้นฉบับ
