อิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่เจเนอเรชั่นใหม่ที่ทำจากไม้?

0
1071

แบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบันมักใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวเพื่อส่งผ่านไอออนระหว่างอิเล็กโทรดทั้งสอง แต่นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาทางเลือกใหม่ในการใช้วสัดุที่เป็นแข็งอื่นๆ ที่ทำให้มองเห็นโอกาสที่น่าตื่นเต้นรออยู่ข้างหน้า พวกเขานำเสนอผลการศึกษาใหม่ซึ่งใช้เซลลูโลสที่ได้จากไม้เป็นพื้นฐานสำหรับอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งตัวใดตัวหนึ่ง ซึ่งมีลักษณะเป็นกระดาษบางและสามารถโค้งงอเพื่อดูดซับความเค้นในวงจรของแบตเตอรี่

ข้อบกพร่องประการหนึ่งของอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบันคือ พวกมันประกอบด้วยของเหลวที่ระเหยได้ซึ่งเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้หากอุปกรณ์เกิดไฟฟ้าลัดวงจร และทำให้เกิดการก่อตัวของเดนไดรต์ที่มีลักษณะคล้ายหนวดซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน ในขณะเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งสามารถทำจากวัสดุที่ไม่ติดไฟ ทำให้อุปกรณ์มีแนวโน้มที่จะเกิดเดนไดรต์น้อยลง และอาจเปิดโอกาสใหม่ๆ ให้กับสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่

หนึ่งในความเป็นไปได้เหล่านี้เกี่ยวข้องกับแอโนด (anode) ซึ่งเป็นหนึ่งในสองอิเล็กโทรดที่แบตเตอรี่ปัจจุบันทำมาจากส่วนผสมของกราไฟต์และทองแดง นักวิทยาศาสตร์บางคนมองว่าอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเป็นก้าวสำคัญในการทำให้แบตเตอรี่ทำงานกับขั้วบวกที่ทำจากโลหะลิเธียมบริสุทธิ์แทน ซึ่งจะช่วยทำลายคอขวดของความหนาแน่นของพลังงานและทำให้รถยนต์ไฟฟ้าและเครื่องบินเดินทางได้ไกลขึ้นโดยไม่ต้องชาร์จซ้ำ

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งจำนวนมากที่พัฒนาขึ้นจนถึงขณะนี้ทำมาจากวัสดุเซรามิก ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงในการนำไอออน แต่ไม่สามารถต้านทานความเครียดได้ดีระหว่างการชาร์จและการคายประจุอันเนื่องมาจากลักษณะเปราะของอิออน นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยบราวน์และมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ได้ค้นหาทางเลือกอื่น และใช้เส้นใยนาโนเซลลูโลสที่พบในไม้เป็นจุดเริ่มต้น

หลอดโพลีเมอร์ที่ได้จากไม้เหล่านี้ถูกรวมเข้ากับทองแดงเพื่อสร้างตัวนำไอออนที่เป็นของแข็งซึ่งมีการนำไฟฟ้าคล้ายกับเซรามิกและดีกว่าตัวนำพอลิเมอร์ไอออนอื่นๆ 10 – 100 เท่า ตามที่ทีมงานกล่าว นี่เป็นเพราะการเพิ่มทองแดงจะสร้างช่องว่างระหว่างสายโซ่พอลิเมอร์เซลลูโลสสำหรับ “ทางด่วนไอออน” เพื่อสร้างรูปแบบ ซึ่งช่วยให้ไอออนลิเธียมสามารถเดินทางได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

Liangbing Hu ผู้เขียนรายงานกล่าวว่า “การรวมทองแดงกับนาโนไฟบริลเซลลูโลสแบบมิติเดียว เราแสดงให้เห็นว่าเซลลูโลสที่เป็นฉนวนไอออนตามปกติสามารถขนส่งลิเธียมไอออนได้รวดเร็วกว่าภายในสายพอลิเมอร์ และอันที่จริง เราพบว่าตัวนำไอออนนี้นำอิออนได้สูงเป็นประวัติการณ์ในบรรดาอิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ที่เป็นของแข็งทั้งหมด”

และเนื่องจากวัสดุนั้นบางเป็นกระดาษและยืดหยุ่นได้ นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าวัสดุดังกล่าวจะทนต่อความเครียดจากการใช้แบตเตอรี่ได้ดีกว่า พวกเขายังกล่าวอีกว่ามันมีเสถียรภาพทางไฟฟ้าเคมีเพื่อรองรับขั้วบวกของโลหะลิเธียมและแคโทดไฟฟ้าแรงสูง หรืออาจทำหน้าที่เป็นวัสดุยึดประสานที่ห่อหุ้มแคโทดที่มีความหนาแน่นสูงเป็นพิเศษในแบตเตอรี่ความหนาแน่นสูง

“ลิเธียมไอออนเคลื่อนตัวในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งอินทรีย์นี้ผ่านกลไกที่เรามักพบในเซรามิคอนินทรีย์ทำให้สามารถบันทึกค่าการนำไฟฟ้าได้สูง” Yue Qi ผู้เขียนศึกษากล่าว “การใช้วัสดุจากธรรมชาติจะช่วยลดผลกระทบโดยรวมของการผลิตแบตเตอรี่ต่อสิ่งแวดล้อมของเรา”

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Nature

ที่มา: Brown University