การทดลองสามเดือนที่ให้ผลลัพธ์น่าทึ่ง
ในห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เออร์ไวน์ นักวิจัยระดับปริญญาเอก Mya Le Thai ชาร์จและคายประจุขั้วไฟฟ้าทดลองซ้ำแล้วซ้ำเล่า จนผ่านไปถึง 200,000 รอบ หลังสามเดือน นักวิจัยไม่พบการสูญเสียความจุหรือกำลังไฟฟ้า และไม่พบสายนาโนที่แตกหัก UCI ประกาศผลการค้นพบเมื่อวันที่ 20 เมษายน 2016 ซึ่งเป็นวันที่งานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Energy Letters
สารบัญ
วัสดุดังกล่าวประกอบด้วยสายนาโนทองคำ เคลือบด้วยแมงกานีสไดออกไซด์ และมีอิเล็กโทรไลต์ชนิดเจลที่มีลักษณะคล้าย Plexiglas ความทนทานของวัสดุอาจเป็นคำตอบให้กับปัญหาที่แก้ได้ยากข้อหนึ่ง นั่นคือเส้นลวดขนาดเล็กที่มีประโยชน์ต่อการกักเก็บพลังงานไฟฟ้ามักแตกร้าวเมื่อถูกใช้งานซ้ำ ๆ
การค้นพบนี้ยังนำไปสู่ข้อกล่าวอ้างที่ชวนตื่นตาว่า แบตเตอรี่แล็ปท็อปในอนาคตอาจใช้งานได้นานถึง 400 ปี ตัวเลขนี้ได้จากการแปลงจำนวนรอบการทดลองเป็นจำนวนปี โดยสมมติอัตราการใช้งานแบบหนึ่ง แต่ความสำเร็จที่เกิดขึ้นจริงคือขั้วไฟฟ้าทดลองในห้องปฏิบัติการที่ผ่านการทดสอบ 200,000 รอบภายในสามเดือน
เกือบหนึ่งทศวรรษหลังการประกาศผล งานวิจัยสายนาโนนี้ยังคงเป็นข้อพิสูจน์แนวคิดในห้องปฏิบัติการ ต่อมา Thai สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกและหันไปทำวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่สำหรับการขนส่งด้วยพลังงานไฟฟ้า การทดลองของเธอยังคงได้รับความสนใจ เพราะชี้ให้เห็นแนวทางรักษาวัสดุแบตเตอรี่ที่เปราะบางไม่ให้เสียหายจากการใช้งานซ้ำ
ชั้นเจลบาง ๆ เปลี่ยนผลการทดลองได้อย่างไร
Thai นักวิจัยชาวอเมริกันเชื้อสายเวียดนาม กำลังศึกษาสายนาโนเมื่อเธอลองเพิ่มชั้นเคลือบเจลบาง ๆ ให้กับโครงสร้างทดลอง ขั้วไฟฟ้ายังคงทำงานได้เมื่อการทดสอบผ่าน 10,000 รอบ และไม่กี่วันต่อมาก็ผ่าน 30,000 รอบ ในที่สุดการทดสอบก็ดำเนินไปจนถึง 200,000 รอบ
Reginald Penner ผู้เขียนหลักของงานวิจัยและหัวหน้าภาควิชาเคมีของ UCI ในขณะนั้น กล่าวถึงการค้นพบที่ไม่คาดคิดนี้ในการประกาศของมหาวิทยาลัยเมื่อเดือนเมษายน 2016
Mya ทดลองทำโน่นทำนี่ แล้วเคลือบโครงสร้างทั้งหมดด้วยเจลบางมาก ๆ ก่อนเริ่มทดสอบวนรอบ" Penner กล่าว "เธอพบว่าแค่ใช้เจลนี้ ก็ทดสอบวนรอบได้หลายแสนครั้งโดยไม่สูญเสียความจุเลย
Penner ระบุว่าผลลัพธ์นี้น่าประหลาดใจ เพราะโครงสร้างที่เทียบเคียงกันมักล้มเหลวหลังผ่าน 5,000 ถึง 7,000 รอบ เมื่อเทียบกับช่วงดังกล่าว ขั้วไฟฟ้าของ UCI ที่ผ่าน 200,000 รอบจึงมีจำนวนรอบมากกว่าราว 29 ถึง 40 เท่า การเปรียบเทียบนี้แสดงให้เห็นพัฒนาการเมื่อเทียบกับโครงสร้างที่ Penner กล่าวถึง
สิ่งที่เกิดขึ้นโดยบังเอิญคือการเคลือบเจลได้ผลดี การพิสูจน์คุณค่าของวิธีนี้ต้องอาศัยการทดสอบอย่างต่อเนื่อง: Thai ทดสอบวนรอบขั้วไฟฟ้าต่อเนื่องหลายเดือน พร้อมตรวจดูว่าประสิทธิภาพทางไฟฟ้าหรือโครงสร้างทางกายภาพเสื่อมลงหรือไม่
เหตุใดสายนาโนจึงต้องได้รับการปกป้อง
สายนาโนมีขนาดบางกว่าเส้นผมมนุษย์หลายพันเท่า นำไฟฟ้าได้ดีและมีพื้นที่ผิวมากเมื่อเทียบกับขนาด จึงเป็นวัสดุตั้งต้นที่น่าสนใจสำหรับสร้างขั้วไฟฟ้า ซึ่งเป็นส่วนของแบตเตอรี่ที่กักเก็บและปล่อยประจุผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า
การชาร์จและคายประจุซ้ำ ๆ ทำให้โครงสร้างเหล่านี้รับแรงเค้น UCI อธิบายว่าสายนาโนสามารถขยายตัวและเปราะหักได้ระหว่างใช้งานในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนทั่วไป จากนั้นอาจเกิดรอยแตก ทำให้วัสดุที่ต้องเชื่อมต่อกันเพื่อให้ขั้วไฟฟ้าทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพแตกแยกออกจากกัน
โครงสร้างทดลองของ Thai มีองค์ประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ แกนกลางที่เป็นสายนาโนทองคำ มีแมงกานีสไดออกไซด์หุ้มรอบ และมีอิเล็กโทรไลต์ชนิดเจลเคลือบอยู่ด้านนอก อิเล็กโทรไลต์ช่วยให้อนุภาคมีประจุที่เรียกว่าไอออนเคลื่อนที่ผ่านอุปกรณ์กักเก็บพลังงานได้
นักวิจัยเสนอว่าเจลช่วยทำให้โลหะออกไซด์มีความยืดหยุ่นมากขึ้น พูดให้เข้าใจง่ายคือ เจลอาจทำให้ชั้นเคลือบยืดหยุ่นกว่าเดิมและทนต่อการเคลื่อนไหวโดยไม่แตกร้าว การคงสภาพโครงสร้างไว้ช่วยให้ขั้วไฟฟ้ารักษาประสิทธิภาพได้ตลอดการทดสอบซ้ำหลายรอบ
UCI รายงานว่าหลังการทดสอบสามเดือน ไม่พบการสูญเสียความจุหรือกำลังไฟฟ้า และไม่พบสายนาโนแตกหักในขั้วไฟฟ้าที่ทดสอบ ความจุหมายถึงปริมาณประจุไฟฟ้าที่อุปกรณ์กักเก็บได้ ส่วนกำลังไฟฟ้าหมายถึงความเร็วในการจ่ายพลังงาน ทั้งสองอย่างล้วนสำคัญต่อการใช้งานแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพ
ตัวเลขประสิทธิภาพบอกอะไร
มีรายงานด้วยว่าการทดลองนี้มีประสิทธิภาพคูลอมบิกเฉลี่ย 94 ถึง 96 เปอร์เซ็นต์ ประสิทธิภาพคูลอมบิกคือการเปรียบเทียบประจุที่ได้คืนระหว่างการคายประจุกับประจุที่ป้อนเข้าไประหว่างการชาร์จ หากมีค่า 94 เปอร์เซ็นต์ หมายความว่าได้รับประจุกลับมาราว 94 หน่วยต่อประจุ 100 หน่วยที่จ่ายเข้าไป
การคงเหลือของความจุและประสิทธิภาพคูลอมบิกเป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพคนละด้าน การคงเหลือของความจุวัดว่าปริมาณประจุที่ขั้วไฟฟ้ากักเก็บได้ลดลงหรือไม่เมื่อใช้งานซ้ำ ส่วนประสิทธิภาพคูลอมบิกติดตามปริมาณประจุที่เข้าและออกระหว่างการทดสอบวนรอบ ขั้วไฟฟ้าอาจคงความสามารถในการกักเก็บประจุไว้ได้ แต่จ่ายประจุกลับออกมาน้อยกว่าปริมาณที่ได้รับเข้าไป
ก่อนหน้านี้ แบตเตอรี่ระดับนาโนรูปแบบหนึ่งที่ Stanford พัฒนาขึ้นในปี 2007 ทำได้ถึง 40,000 รอบ ตัวเลข 200,000 รอบของ UCI จึงมากกว่าถึงห้าเท่า แม้อุปกรณ์ทั้งสองจะใช้โครงสร้างคนละแบบ ดังนั้นการออกแบบและเงื่อนไขการทดสอบจึงเป็นปัจจัยสำคัญเมื่อนำผลมาเปรียบเทียบกัน
การเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่แล็ปท็อปก็น่าทึ่งเช่นกัน เมื่อเทียบกับจำนวน 300 ถึง 500 รอบที่มักอ้างถึงสำหรับแบตเตอรี่แล็ปท็อปทั่วไป ตัวเลข 200,000 รอบมากกว่าราว 400 ถึง 667 เท่า ตัวเลขเหล่านี้ช่วยอธิบายความตื่นเต้นต่อการทดลอง ขณะที่การพัฒนาเชิงพาณิชย์ยังต้องอาศัยแบตเตอรี่ที่สมบูรณ์และมีความจุ วัสดุ ความปลอดภัย และต้นทุนการผลิตที่เหมาะสม
ที่มาของการประเมิน 400 ปี
การประเมินนี้ตั้งสมมติฐานว่าแล็ปท็อปผ่านการชาร์จ 1,000 รอบทุกสองปี หรือ 500 รอบต่อปี เมื่อนำ 200,000 รอบหารด้วย 500 จะได้ 400 ปี ขั้นตอนการคำนวณแต่ละขั้นตรงไปตรงมา แต่ระยะเวลาตามปฏิทินเป็นการคาดการณ์ต่อจากผลการทดลองในห้องปฏิบัติการ
ขั้วไฟฟ้าของ Thai ผ่านจำนวนรอบดังกล่าวจากการทดสอบต่อเนื่องสามเดือน ส่วนแบตเตอรี่ที่ใช้งานในชีวิตประจำวันยังต้องใช้เวลาวางทิ้งไว้ในสภาพที่มีประจุบางส่วน ทำงานในอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง และทำงานร่วมกับส่วนประกอบอื่น ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปจึงต้องผ่านการทดสอบในสภาพที่ผู้ใช้จะพบเจอจริง
เป้าหมายในทางปฏิบัติคือยืดระยะเวลาการใช้งานระหว่างการเปลี่ยนแบตเตอรี่ สำหรับเจ้าของแล็ปท็อป นั่นอาจหมายถึงการใช้แบตเตอรี่ก้อนเดิมได้ตลอดช่วงเวลาที่คอมพิวเตอร์ยังใช้งานได้ สำหรับผู้ผลิตรถยนต์ อาจหมายถึงระบบกักเก็บพลังงานที่รองรับการชาร์จและการขับขี่ได้มากขึ้นก่อนจำเป็นต้องเปลี่ยน
สิ่งที่นักวิจัยยังต้องทำความเข้าใจ
รายงานติดตามผลของ UCI เมื่อเดือนพฤษภาคม 2016กล่าวถึงงานเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจชั้นเคลือบแมงกานีสไดออกไซด์ นักวิจัยสังเกตได้ว่าเจลช่วยไม่ให้วัสดุแตกเป็นชิ้น ๆ แต่ยังอยู่ระหว่างศึกษาว่าวัสดุเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร
Penner ซึ่งให้สัมภาษณ์ในฐานะผู้เขียนหลักและหัวหน้าภาควิชาเคมี อธิบายถึงโจทย์วิทยาศาสตร์ขั้นต่อไป
"ตอนนี้ Mya กำลังทำการศึกษาหลายอย่างเพื่อทำความเข้าใจให้ดีขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้นกับวัสดุแมงกานีสไดออกไซด์ เรารู้ว่าเจลช่วยไม่ให้มันแตกเป็นชิ้น ๆ แต่ยังไม่รู้ว่าวัสดุที่เหลืออยู่มีลักษณะแตกต่างจากวัสดุที่จะเหลืออยู่หากไม่มีเจลหรือไม่" Penner กล่าว
การทำความเข้าใจกระบวนการนี้สำคัญต่อการทำให้ผลลัพธ์ทำซ้ำได้และการนำไปปรับใช้กับวัสดุอื่น หากนักวิจัยระบุได้ว่าคุณสมบัติใดของเจลและชั้นเคลือบช่วยรักษาขั้วไฟฟ้าไว้ ก็จะสามารถออกแบบโครงสร้างที่ทนต่อการชาร์จซ้ำได้อย่างมีหลักการมากขึ้น
งานวิจัยนี้ดำเนินการร่วมกับศูนย์วิจัยแนวหน้าด้านพลังงาน Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center ที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ ได้รับทุนจากแผนก Basic Energy Sciences ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ
จากสายนาโนทองคำสู่แบตเตอรี่ที่ใช้ได้จริง
ทองคำมีต้นทุนสูงและเป็นอุปสรรคต่อการผลิตในวงกว้าง นักวิจัยจึงศึกษาโลหะทางเลือกที่มีราคาถูกกว่า เช่น นิกเกิล ซึ่งอาจเป็นแนวทางสู่การออกแบบที่ประหยัดขึ้น แต่การเปลี่ยนโลหะก็ต้องตรวจสอบด้วยว่าขั้วไฟฟ้าที่ได้ยังคงความทนทานของโครงสร้างเดิมไว้ได้หรือไม่
แบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ที่สมบูรณ์ต้องมีอายุการใช้งานเป็นจำนวนรอบยาวนาน กักเก็บพลังงานได้เพียงพอ จ่ายกำลังไฟฟ้าได้ตามต้องการ มีความปลอดภัยเชื่อถือได้ และผลิตได้ในราคาที่เหมาะสม ผลงานของ UCI แก้ปัญหาจุดอ่อนเฉพาะด้านหนึ่งของขั้วไฟฟ้าทดลอง นั่นคือความเสียหายทางกายภาพจากการทดสอบวนรอบซ้ำ ๆ การต่อยอดความสำเร็จนี้เป็นผลิตภัณฑ์ต้องทำให้ได้ตามข้อกำหนดอื่น ๆ เหล่านี้ไปพร้อมกัน
UCI ระบุว่าคอมพิวเตอร์ สมาร์ตโฟน เครื่องใช้ไฟฟ้า รถยนต์ และยานอวกาศอาจเป็นการใช้งานที่เป็นไปได้ แต่ละประเภทมีความต้องการจากแบตเตอรี่ต่างกัน โทรศัพท์ต้องการแหล่งพลังงานขนาดกะทัดรัด รถยนต์ต้องการระบบขนาดใหญ่กว่ามากที่จ่ายกำลังไฟฟ้าได้สูง ส่วนยานอวกาศต้องทำงานได้อย่างเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย
ต่อมา Thai ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์หลักที่ Enevate บริษัทเทคโนโลยีแบตเตอรี่ของสหรัฐฯ โดยทำงานเกี่ยวกับแบตเตอรี่ขั้นสูงสำหรับการขนส่งด้วยพลังงานไฟฟ้า เธอยังยื่นขอจดสิทธิบัตรผลงานประดิษฐ์อื่น ๆ รวมถึงเทคโนโลยีที่มุ่งชะลอการลุกลามของความร้อนระหว่างเซลล์ การลุกลามของความร้อนเกิดขึ้นเมื่อความร้อนจากเซลล์ที่ขัดข้องแพร่ไปยังเซลล์ข้างเคียง
รายงานเกี่ยวกับงานวิจัยนี้ยังไม่มีการประกาศกำหนดการเปิดตัวเชิงพาณิชย์ของเทคโนโลยีสายนาโนทองคำ เส้นทางอาชีพของ Thai ในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่าเธอยังคงทำงานพัฒนาแบตเตอรี่ รวมถึงแก้โจทย์ด้านความทนทานและความปลอดภัยที่นอกเหนือจากการทดลองครั้งแรก
หมุดหมายสำคัญของการค้นพบ
เรื่องราวนี้ครอบคลุมตั้งแต่ผลงานแบตเตอรี่ระดับนาโนก่อนหน้า การทดสอบวนรอบในห้องปฏิบัติการนานหลายเดือน ไปจนถึงประกาศของ UCI สองครั้งในปี 2016 การพิจารณาหมุดหมายเหล่านี้ร่วมกันช่วยให้เห็นช่วงเวลาและขอบเขตของการค้นพบได้ชัดเจนขึ้น
- 2007: แบตเตอรี่ระดับนาโนอีกรูปแบบหนึ่งที่นักวิจัย Stanford พัฒนาขึ้น ทำได้ถึง 40,000 รอบตามรายงาน
- ระหว่างการทดลองของ UCI: ขั้วไฟฟ้าเคลือบเจลของ Thai ผ่าน 10,000 และ 30,000 รอบ ก่อนจะถึง 200,000 รอบในเวลาสามเดือน
- 20 เมษายน 2016: UCI ประกาศผลการทดลอง และมีการตีพิมพ์ผลการค้นพบในวารสาร ACS Energy Letters
- 16 พฤษภาคม 2016: UCI เผยแพร่รายงานติดตามผล ซึ่งกล่าวถึงการศึกษาต่อเนื่องว่าเจลส่งผลต่อแมงกานีสไดออกไซด์อย่างไร
- หลังสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอก: Thai เข้าทำงานวิจัยแบตเตอรี่ในภาคอุตสาหกรรม และได้เป็นนักวิทยาศาสตร์หลักที่ Enevate
Thai อธิบายผลการทดลองในแง่ความเสถียรทางกายภาพที่ดีขึ้นของขั้วไฟฟ้า และความเป็นไปได้ในการสร้างแบตเตอรี่ที่ทนทาน เธอกล่าวในฐานะนักวิจัยระดับปริญญาเอกผู้เป็นหัวหน้าการศึกษา:
ขั้วไฟฟ้าที่เคลือบไว้คงรูปร่างได้ดีกว่ามาก จึงเป็นทางเลือกที่เชื่อถือได้ยิ่งขึ้น" Thai กล่าว "งานวิจัยนี้พิสูจน์ว่าขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่ที่ใช้สายนาโนเป็นฐานมีอายุการใช้งานยาวนานได้ และเราสามารถทำให้แบตเตอรี่ลักษณะนี้เกิดขึ้นจริงได้
ประเด็นสำคัญ
- ขั้วไฟฟ้าของ Mya Le Thai ที่ UCI ผ่าน 200,000 รอบในเวลาสามเดือน โดยไม่พบการสูญเสียความจุหรือกำลังไฟฟ้า และไม่พบสายนาโนแตกหัก
- การออกแบบประกอบด้วยสายนาโนทองคำ แมงกานีสไดออกไซด์ และอิเล็กโทรไลต์ชนิดเจล ซึ่งนักวิจัยเชื่อว่าช่วยป้องกันการแตกร้าว
- ผลการค้นพบได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Energy Letters เมื่อวันที่ 20 เมษายน 2016
- ตัวเลขประมาณการ 400 ปีตั้งอยู่บนสมมติฐานว่ามีการชาร์จ 500 รอบต่อปี ส่วนการทดสอบในห้องปฏิบัติการใช้เวลาสามเดือน
- ต้นทุนทองคำและข้อกำหนดของแบตเตอรี่ที่สมบูรณ์ยังเป็นปัจจัยสำคัญต่อการพัฒนาเชิงพาณิชย์
- ต่อมา Thai ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์หลักที่ Enevate โดยทำงานเกี่ยวกับแบตเตอรี่สำหรับการขนส่งด้วยพลังงานไฟฟ้า
