เจลช่วยให้ซิลิคอนกักเก็บพลังงานได้มากขึ้น
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโพฮัง (POSTECH) ในเกาหลีใต้ พัฒนาระบบแบตเตอรี่ซิลิคอนและเจล ซึ่งมหาวิทยาลัยระบุว่ามีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นประมาณ 40% พร้อมรักษาประสิทธิภาพการทำงานให้คงที่ งานวิจัยที่ประกาศเมื่อวันที่ 2 กุมภาพันธ์ 2024 ใช้อนุภาคซิลิคอนขนาด 5 ไมโครเมตรและลำอิเล็กตรอน เพื่อช่วยให้แบตเตอรี่ทนต่อการพองตัวและหดตัวซ้ำ ๆ ของวัสดุ
สารบัญ
งานวิจัยนี้มุ่งทำให้รถยนต์ไฟฟ้าเข้าใกล้เป้าหมายการเดินทาง 1,000 กิโลเมตรต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง โดย POSTECH ระบุว่าระยะทางดังกล่าวเป็นเป้าหมายการวิจัย ประกาศของมหาวิทยาลัยรายงานผลจากระบบแบตเตอรี่ แต่ยังไม่ได้ระบุการทดสอบในรถยนต์ กำหนดการวางจำหน่ายเชิงพาณิชย์ หรือราคา
ศาสตราจารย์ซูจิน พาร์ก นักศึกษาปริญญาเอกมินจุน เจ และดร.ฮเยบิน ซน จากภาควิชาเคมีของ POSTECH เป็นผู้พัฒนาแนวทางนี้ งานวิจัยของพวกเขาเผยแพร่ทางออนไลน์ในวารสาร Advanced Science เมื่อวันที่ 17 มกราคม 2024 ก่อนที่มหาวิทยาลัยจะเผยแพร่ประกาศงานวิจัย
แนวคิดหลักคือการทำให้วัสดุที่กักเก็บพลังงานได้มากนำมาใช้งานได้ง่ายขึ้น ซิลิคอนกักเก็บลิเทียมได้มากกว่ากราไฟต์ที่นิยมใช้ในขั้วบวกของแบตเตอรี่มาก แต่ขนาดของมันเปลี่ยนแปลงอย่างมากระหว่างการชาร์จ ทีม POSTECH เชื่อมอนุภาคซิลิคอนเข้ากับเจลยืดหยุ่นด้วยพันธะเคมี ช่วยให้โครงสร้างรองรับการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวได้
สำหรับผู้ขับขี่ ประโยชน์ที่เห็นได้ชัดคือการกักเก็บพลังงานในแบตเตอรี่ได้มากขึ้น ซึ่งอาจช่วยให้เดินทางไกลขึ้นระหว่างการแวะชาร์จ ส่วนผู้ผลิตแบตเตอรี่ งานวิจัยนี้ตอบโจทย์อีกข้อกังวลหนึ่ง คือการใช้อนุภาคซิลิคอนที่มีต้นทุนค่อนข้างต่ำโดยไม่ลดทอนความเสถียรในการทำงาน
เหตุใดซิลิคอนจึงนำมาใช้งานได้ยาก
ข้อได้เปรียบด้านการกักเก็บพลังงานของซิลิคอนมาพร้อมปัญหาทางกล POSTECH ระบุว่าวัสดุนี้ขยายตัวจนมีขนาดมากกว่าสามเท่าของขนาดเดิมระหว่างการชาร์จ จากนั้นจึงหดตัวเมื่อแบตเตอรี่คายประจุ การเปลี่ยนแปลงซ้ำ ๆ นี้ทำให้ขั้วไฟฟ้าและวัสดุโดยรอบเกิดแรงเค้น
ขั้วบวกเป็นหนึ่งในขั้วไฟฟ้าสองขั้วของแบตเตอรี่ ระหว่างการชาร์จ ไอออนลิเทียมจะเคลื่อนผ่านอิเล็กโทรไลต์เข้าสู่ขั้วบวก ซึ่งเป็นจุดที่กักเก็บพลังงานไว้ ระหว่างใช้งาน กระบวนการจะย้อนกลับ อิเล็กโทรไลต์ต้องเปิดทางให้ไอออนเคลื่อนที่ได้ ขณะเดียวกันโครงสร้างขั้วไฟฟ้าก็ต้องทำงานต่อไปได้ตลอดรอบการชาร์จซ้ำ ๆ
นักวิจัยมักใช้อณูซิลิคอนขนาดเล็กมากเพื่อช่วยจัดการแรงเค้น POSTECH ระบุว่าการผลิตซิลิคอนระดับนาโนมีความซับซ้อนและมีต้นทุนสูง อนุภาคขนาดใหญ่ระดับไมโครมีข้อได้เปรียบด้านต้นทุนการผลิตและความหนาแน่นพลังงาน แต่รองรับการขยายตัวได้ยากกว่า
อนุภาคในการทดลองของ POSTECH มีขนาด 5 ไมโครเมตร หรือหนึ่งในห้าล้านส่วนของเมตร มหาวิทยาลัยระบุว่ามีขนาดใหญ่กว่าอนุภาคที่ใช้ในขั้วบวกซิลิคอนระดับนาโนแบบดั้งเดิมประมาณ 100 เท่า นี่คือการเปรียบเทียบขนาดอนุภาคที่ระบุไว้โดยเฉพาะในประกาศอย่างเป็นทางการ ไม่ใช่ 1,000 เท่าตามคำอธิบายงานวิจัยในเบื้องต้น ทั้งนี้ ไมโครเมตรมีความยาวมากกว่านาโนเมตร 1,000 เท่า
เจลและลำอิเล็กตรอนทำงานอย่างไร
ทีม POSTECH จับคู่อนุภาคซิลิคอนขนาดใหญ่กับอิเล็กโทรไลต์พอลิเมอร์แบบเจล พอลิเมอร์คือวัสดุที่ประกอบด้วยสายโซ่โมเลกุลยาว ในแบตเตอรี่นี้ โครงสร้างยืดหยุ่นของพอลิเมอร์ช่วยให้อิเล็กโทรไลต์รองรับการเปลี่ยนแปลงขนาดของซิลิคอน พร้อมเปิดทางให้ไอออนลิเทียมเคลื่อนที่ได้
จากนั้นนักวิจัยใช้ลำอิเล็กตรอนสร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างอนุภาคซิลิคอนกับเจล พันธะโควาเลนต์คือการเชื่อมต่อทางเคมีที่อะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน ในกรณีนี้ พันธะดังกล่าวช่วยกระจายแรงเค้นภายในที่เกิดขึ้นขณะซิลิคอนขยายตัวและหดตัว
แนวทางนี้มองซิลิคอนและอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่รอบ ๆ เป็นโครงสร้างเดียวกัน แทนที่จะพึ่งพาอนุภาคขนาดเล็กเพียงอย่างเดียว นักวิจัยเปลี่ยนวิธีเชื่อมอนุภาคเข้ากับวัสดุโดยรอบ POSTECH ระบุว่าเสถียรภาพของโครงสร้างที่ได้เกิดจากพันธะเหล่านี้และความสามารถของเจลในการรองรับการเคลื่อนไหว
พาร์ก ศาสตราจารย์ด้านเคมีของ POSTECH ซึ่งเป็นหัวหน้าทีม อธิบายว่าผลการศึกษานี้เป็นความก้าวหน้าสู่การนำความสามารถในการกักเก็บพลังงานของซิลิคอนไปใช้จริง:
เราใช้ขั้วบวกไมโครซิลิคอน แต่ยังได้แบตเตอรี่ที่มีเสถียรภาพ งานวิจัยนี้ทำให้เราเข้าใกล้ระบบแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนความหนาแน่นพลังงานสูงที่ใช้งานได้จริงมากขึ้น
มหาวิทยาลัยยังรายงานด้วยว่าระบบเจลมีค่าการนำไอออนใกล้เคียงกับแบตเตอรี่ทั่วไปที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว ค่าการนำไอออนบ่งบอกว่าอนุภาคมีประจุเคลื่อนที่ผ่านวัสดุได้ง่ายเพียงใด การรักษาการเคลื่อนที่ดังกล่าวให้มีประสิทธิภาพเป็นเรื่องสำคัญ เพราะอิเล็กโทรไลต์ต้องรองรับการไหลของไอออนขณะที่แบตเตอรี่ชาร์จและจ่ายพลังงาน
ความหนาแน่นพลังงานที่เพิ่มขึ้น 40% หมายถึงอะไรต่อระยะทาง
POSTECH รายงานว่าระบบอิเล็กโทรไลต์ซิลิคอนและเจลมีความหนาแน่นพลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 40% ความหนาแน่นพลังงานหมายถึงปริมาณพลังงานที่แบตเตอรี่กักเก็บได้เมื่อเทียบกับมวลหรือปริมาตร การเพิ่มค่านี้เป็นหนึ่งในวิธีเพิ่มพลังงานที่บรรทุกได้ โดยไม่ทำให้แบตเตอรี่หนักขึ้นหรือมีขนาดใหญ่ขึ้นในสัดส่วนเดียวกัน
ประกาศของมหาวิทยาลัยใช้อัตราวิ่งราว 700 กิโลเมตรเป็นค่าอ้างอิงสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า และระบุว่า 1,000 กิโลเมตรคือระยะทางที่นักวิจัยมุ่งไปให้ถึง การเพิ่มระยะทางจาก 700 เป็น 1,000 กิโลเมตรจะเพิ่มขึ้น 300 กิโลเมตร หรือประมาณ 43%
ตัวเลขเหล่านี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดความหนาแน่นพลังงานที่เพิ่มขึ้น 40% จึงเป็นประโยชน์ ตัวอย่างง่าย ๆ คือ หากเพิ่มระยะทาง 700 กิโลเมตรขึ้น 40% จะได้ 980 กิโลเมตร ซึ่งใกล้เคียงกับเป้าหมายที่ระบุไว้ การคำนวณนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่ารถใช้พลังงานในอัตราเดิม และพลังงานที่ใช้ได้จริงจากแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นในสัดส่วนเดียวกัน
ระยะทางวิ่งจริงของรถยังขึ้นอยู่กับน้ำหนัก ประสิทธิภาพ ความเร็ว อุณหภูมิ และการออกแบบชุดแบตเตอรี่ด้วย โจทย์ในทางปฏิบัติคือการนำข้อได้เปรียบด้านการกักเก็บพลังงานของวัสดุไปใช้ในแบตเตอรี่ทั้งชุด และต่อยอดไปสู่รถยนต์ ผลที่ POSTECH รายงาน ทั้งการทำงานอย่างเสถียร การใช้อนุภาคซิลิคอนขนาดใหญ่ขึ้น และการนำไอออนที่ใกล้เคียงกัน ล้วนตอบโจทย์หลายส่วนนี้ไปพร้อมกัน
อีกงานวิจัยมุ่งแก้ปัญหาชั้นปกป้องซิลิคอน
ทีมนักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่ง ซึ่งมีไอหมิน หลี่ และชุนเซิง หวัง เป็นผู้เขียน เผยแพร่งานวิจัยในวารสาร Nature Communicationsเมื่อวันที่ 8 กุมภาพันธ์ 2024 งานวิจัยนี้ใช้อนุภาคซิลิคอนขนาด 5 ไมโครเมตรเช่นกัน แต่เลือกแนวทางแก้ปัญหาอีกแบบ คือใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ออกแบบให้สร้างชั้นปกป้องพื้นผิวซึ่งรองรับการเคลื่อนไหวของซิลิคอนได้
บทความอธิบายว่าแหล่งสำคัญของการสูญเสียความจุคือความเสียหายของชั้นรอยต่อของแข็ง-อิเล็กโทรไลต์ ซึ่งมักเรียกย่อว่า SEI นี่คือชั้นปกป้องบาง ๆ ที่ก่อตัวบนขั้วบวก เมื่อชั้นนี้แตกร้าว อิเล็กโทรไลต์เหลวอาจแทรกซึมเข้าไปในอนุภาคซิลิคอนที่เสียหายและเกิดปฏิกิริยาอีกครั้ง ทำให้เกิดชั้นใหม่และรบกวนการสัมผัสทางไฟฟ้า
หลี่และคณะออกแบบอิเล็กโทรไลต์ที่มีฟลูออโรเอทิลีนคาร์บอเนต ซัลโฟเลน และ TTE ซึ่งเป็นอีเทอร์ที่มีฟลูออรีนเป็นองค์ประกอบ สูตรดังกล่าวรองรับการทำงานของเซลล์ที่แรงดัน 4.3 โวลต์ และสร้างชั้นปกป้องที่มีลิเทียมฟลูออไรด์และลิเทียมออกไซด์เป็นองค์ประกอบหลัก
ผู้เขียนเรียกชั้นนี้ว่าไม่ชอบซิลิคอน หมายถึงชั้นดังกล่าวยึดเกาะกับวัสดุลิเทียมและซิลิคอนที่อยู่ด้านล่างอย่างอ่อน การยึดเกาะที่อ่อนช่วยให้ซิลิคอนขยายตัวและหดตัวภายในเปลือกปกป้อง โดยสร้างแรงเค้นต่อเปลือกน้อยลง ส่วนแนวทางของ POSTECH ใช้พันธะเคมีที่แข็งแรงระหว่างซิลิคอนกับเจลยืดหยุ่นเพื่อกระจายแรงเค้น
ดังนั้น งานวิจัยทั้งสองจึงแก้ปัญหาการเคลื่อนไหวเดียวกัน แต่จัดการที่รอยต่อคนละแบบ แนวทางหนึ่งเชื่อมซิลิคอนเข้ากับโครงสร้างยืดหยุ่นโดยรอบ อีกแนวทางเปิดให้ซิลิคอนเคลื่อนที่ภายในชั้นปกป้องที่ยึดเกาะอย่างหลวมกว่า
การทดสอบของทีมที่สองวัดอะไรบ้าง
งานวิจัยใน Nature Communications รายงานว่าขั้วบวกซิลิคอนมีความจุ 2,175 มิลลิแอมแปร์ชั่วโมงต่อกรัมต่อเนื่องมากกว่า 250 รอบ โดยมีประสิทธิภาพคูลอมบิก 99.8% ความจุต่อกรัมบอกปริมาณประจุไฟฟ้าที่วัสดุมวลหนึ่งสามารถกักเก็บได้ ส่วนหนึ่งรอบหมายถึงการชาร์จและคายประจุครบหนึ่งครั้ง
ประสิทธิภาพคูลอมบิกเปรียบเทียบปริมาณประจุที่ดึงออกระหว่างการคายประจุกับปริมาณที่ป้อนเข้าไประหว่างการชาร์จ ที่ระดับ 99.8% ส่วนต่างอยู่ที่ประมาณ 0.2% ต่อรอบที่วัด การรักษาส่วนต่างนี้ให้ต่ำมีความสำคัญ เพราะปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ซึ่งเกิดซ้ำจะใช้ประจุและวัสดุไปตามเวลา
ทีมยังทดสอบเซลล์แบบถุงที่มีความจุพิกัด 100 มิลลิแอมแปร์ชั่วโมง โดยจ่ายประจุได้ 172 มิลลิแอมแปร์ชั่วโมงต่อกรัมของวัสดุแคโทดเป็นเวลา 120 รอบ และมีประสิทธิภาพคูลอมบิกสูงกว่า 99.9% เซลล์แบบถุงบรรจุส่วนประกอบแบตเตอรี่ไว้ภายในซองยืดหยุ่น
ค่าที่วัดเหล่านี้แสดงความจุของขั้วไฟฟ้า ประสิทธิภาพ และสมรรถนะการทำงานเป็นรอบของการออกแบบอิเล็กโทรไลต์เหลว ส่วนผลเด่นของ POSTECH คือการเพิ่มความหนาแน่นพลังงานประมาณ 40% ด้วยระบบเจล งานวิจัยแต่ละชิ้นให้ชุดข้อมูลการวัดคนละด้าน ซึ่งมีส่วนช่วยให้อนุภาคซิลิคอนขนาดใหญ่ขึ้นนำมาใช้ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้
จากงานวิจัยสู่การผลิต
POSTECH ระบุว่ากระบวนการผลิตไม่ซับซ้อนและพร้อมนำไปประยุกต์ใช้ การใช้อณูซิลิคอนขนาดใหญ่ช่วยแก้ปัญหาด้านต้นทุนและความซับซ้อนของการผลิตอนุภาคระดับนาโน ขณะที่ลำอิเล็กตรอนสร้างพันธะที่จำเป็นต่อโครงสร้างแบบบูรณาการ
ประกาศของมหาวิทยาลัยระบุว่าได้รับการสนับสนุนจากโครงการนักวิจัยอิสระของมูลนิธิวิจัยแห่งชาติเกาหลี ลำดับการเผยแพร่ผลงานแสดงให้เห็นว่างานวิจัยนี้เกิดขึ้นควบคู่กับอีกความพยายามหนึ่งในการแก้ปัญหาการขยายตัวของซิลิคอนในช่วงเวลาเดียวกัน:
- 17 มกราคม 2024: งานวิจัยของทีม POSTECH เผยแพร่ทางออนไลน์ในวารสาร Advanced Science
- 2 กุมภาพันธ์ 2024: POSTECH ประกาศผลการใช้อิเล็กโทรไลต์ซิลิคอนและเจล พร้อมเป้าหมายเพิ่มระยะทางรถยนต์เป็น 1,000 กิโลเมตร
- 8 กุมภาพันธ์ 2024: วารสาร Nature Communications เผยแพร่งานวิจัยอีกชิ้นเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลต์เหลวสำหรับอนุภาคซิลิคอนขนาด 5 ไมโครเมตร
ประโยชน์ในทางปฏิบัติที่ทั้งสองโครงการมีร่วมกันคือ ซิลิคอนมีอยู่มากและกักเก็บพลังงานได้สูง ขณะที่อนุภาคขนาดใหญ่ช่วยลดความยุ่งยากในการผลิต การทำให้วัสดุโดยรอบรองรับการเคลื่อนไหวของซิลิคอนได้ เป็นหัวใจสำคัญของการเปลี่ยนข้อได้เปรียบเหล่านี้ให้เป็นแบตเตอรี่ที่ยังคงความจุใช้งานได้หลังผ่านการใช้งานซ้ำ ๆ
ประเด็นสำคัญ
- POSTECH รายงานว่าระบบแบตเตอรี่ที่ผสานซิลิคอนกับอิเล็กโทรไลต์แบบเจลมีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นประมาณ 40%
- นักวิจัยใช้ลำอิเล็กตรอนสร้างพันธะเคมีที่ช่วยกระจายแรงเค้นขณะซิลิคอนขยายตัวและหดตัว
- ระบบที่มีเสถียรภาพใช้อณูขนาด 5 ไมโครเมตร ซึ่ง POSTECH ระบุว่ามีขนาดใหญ่กว่าอนุภาคนาโนซิลิคอนแบบดั้งเดิม 100 เท่า
- ระยะทางรถยนต์ 1,000 กิโลเมตรเป็นเป้าหมายการวิจัย ขณะที่ประกาศมุ่งรายงานการพัฒนาแบตเตอรี่
- งานวิจัยอีกชิ้นใน Nature Communications ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวและชั้นปกป้องพื้นผิว โดยรายงานสมรรถนะของขั้วบวกซิลิคอนต่อเนื่องมากกว่า 250 รอบ
