อนาคตของเทคโนโลยีแบตเตอรี่: ซิลิคอนแอโนด, กราฟีน, แบตเตอรี่อะลูมิเนียม-ออกซิเจน ฯลฯ

หมายเหตุบรรณาธิการ: เทคโนโลยีไฟฟ้าเป็นอนาคตของโลกสีเขียว และเทคโนโลยีแบตเตอรี่เป็นรากฐานของเทคโนโลยีไฟฟ้าและเป็นกุญแจสำคัญในการจำกัดการพัฒนาเทคโนโลยีไฟฟ้าในวงกว้าง เทคโนโลยีแบตเตอรี่กระแสหลักในปัจจุบันคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานที่ดีและมีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม ลิเธียมเป็นธาตุหายากซึ่งมีต้นทุนสูงและทรัพยากรจำกัด ในขณะเดียวกัน เมื่อการใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนเพิ่มมากขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก็ไม่เพียงพออีกต่อไป จะตอบสนองอย่างไร? Mayank Jain ได้รวบรวมเทคโนโลยีแบตเตอรี่บางอย่างที่อาจใช้ในอนาคต บทความต้นฉบับถูกตีพิมพ์บนสื่อที่มีชื่อว่า: อนาคตของเทคโนโลยีแบตเตอรี่

โลกเต็มไปด้วยพลังงาน และเรากำลังทำทุกอย่างที่ทำได้เพื่อดักจับและใช้พลังงานนั้นให้เกิดประโยชน์ แม้ว่าเราจะทำงานได้ดีขึ้นในการเปลี่ยนมาใช้พลังงานหมุนเวียน แต่เรายังไม่มีความคืบหน้ามากนักในการกักเก็บพลังงาน
ปัจจุบันมาตรฐานสูงสุดของเทคโนโลยีแบตเตอรี่คือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่นี้ดูเหมือนว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงานดีที่สุด ประสิทธิภาพสูง (ประมาณ 99%) และมีอายุการใช้งานยาวนาน
แล้วมีอะไรผิดปกติ? เนื่องจากพลังงานหมุนเวียนที่เราจับได้ยังคงเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงไม่เพียงพออีกต่อไป
เนื่องจากเราสามารถผลิตแบตเตอรี่ต่อเป็นชุดได้ ดูเหมือนจะไม่ใช่เรื่องใหญ่ แต่ปัญหาคือลิเธียมเป็นโลหะที่ค่อนข้างหายาก ดังนั้นต้นทุนจึงไม่ต่ำ แม้ว่าต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่จะลดลง แต่ความต้องการกักเก็บพลังงานก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน
เรามาถึงจุดที่เมื่อผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแล้ว จะมีผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมพลังงาน
ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นของเชื้อเพลิงฟอสซิลเป็นข้อเท็จจริง และนี่คือปัจจัยที่มีอิทธิพลอย่างมากที่เป็นอุปสรรคต่อการเปลี่ยนไปสู่การพึ่งพาพลังงานหมุนเวียนทั้งหมด เราต้องการแบตเตอรี่ที่ปล่อยพลังงานมากกว่าน้ำหนักของเรา
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานอย่างไร
กลไกการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมนั้นคล้ายคลึงกับแบตเตอรี่เคมีขนาด AA หรือ AAA ทั่วไป พวกมันมีขั้วแอโนดและแคโทด และมีอิเล็กโทรไลต์อยู่ระหว่างนั้น ปฏิกิริยาการคายประจุในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแตกต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปตรงที่สามารถย้อนกลับได้ จึงสามารถชาร์จแบตเตอรี่ซ้ำได้หลายครั้ง

ขั้วแคโทด (+) ทำจากลิเธียมเหล็กฟอสเฟต ขั้วบวก (-terminal) ทำจากกราไฟท์ และกราไฟท์ทำจากคาร์บอน ไฟฟ้าเป็นเพียงการไหลของอิเล็กตรอน แบตเตอรี่เหล่านี้ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการเคลื่อนย้ายลิเธียมไอออนระหว่างขั้วบวกและแคโทด
เมื่อมีประจุ ไอออนจะเคลื่อนที่ไปที่ขั้วบวก และเมื่อปล่อยออกมา ไอออนจะวิ่งไปที่ขั้วลบ
การเคลื่อนที่ของไอออนนี้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงจร ดังนั้นการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจึงมีความสัมพันธ์กัน
แบตเตอรี่ซิลิคอนแอโนด
บริษัทรถยนต์ขนาดใหญ่หลายแห่งเช่น BMW ลงทุนในการพัฒนาแบตเตอรี่ซิลิคอนแอโนด เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป แบตเตอรี่เหล่านี้ใช้ขั้วบวกลิเธียม แต่แทนที่จะใช้ขั้วบวกที่มีคาร์บอน กลับใช้ซิลิคอน
ในฐานะที่เป็นแอโนด ซิลิคอนจะดีกว่ากราไฟต์ เนื่องจากต้องใช้อะตอมของคาร์บอน 4 ตัวในการกักเก็บลิเธียม และซิลิคอน 1 อะตอมสามารถเก็บลิเธียมไอออนได้ 4 ตัว นี่คือการอัพเกรดครั้งใหญ่ … ทำให้ซิลิคอนแข็งแกร่งกว่ากราไฟท์ถึง 3 เท่า

อย่างไรก็ตาม การใช้ลิเธียมยังคงเป็นดาบสองคม วัสดุนี้ยังมีราคาแพง แต่ก็ง่ายกว่าในการถ่ายโอนโรงงานผลิตไปยังเซลล์ซิลิคอน หากแบตเตอรี่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงโรงงานจะต้องได้รับการออกแบบใหม่ทั้งหมดซึ่งจะทำให้ความน่าสนใจในการเปลี่ยนลดลงเล็กน้อย
แอโนดซิลิคอนทำโดยการบำบัดทรายเพื่อผลิตซิลิคอนบริสุทธิ์ แต่ปัญหาใหญ่ที่สุดที่นักวิจัยเผชิญอยู่ในปัจจุบันคือ แอโนดของซิลิคอนจะขยายตัวเมื่อใช้ นี่อาจทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วเกินไป นอกจากนี้ยังเป็นเรื่องยากที่จะสร้างขั้วบวกจำนวนมาก

แบตเตอรี่กราฟีน
กราฟีนเป็นเกล็ดคาร์บอนชนิดหนึ่งที่ใช้วัสดุชนิดเดียวกับดินสอ แต่การติดกราไฟท์เข้ากับเกล็ดใช้เวลานานมาก กราฟีนได้รับการยกย่องในด้านประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในการใช้งานหลายๆ กรณี และแบตเตอรี่ก็เป็นหนึ่งในนั้น

บริษัทบางแห่งกำลังพัฒนาแบตเตอรี่กราฟีนที่สามารถชาร์จจนเต็มได้ภายในไม่กี่นาที และคายประจุได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึง 33 เท่า ซึ่งถือว่าคุ้มค่ามากสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า
แบตเตอรี่โฟม
ปัจจุบันแบตเตอรี่แบบเดิมเป็นแบบสองมิติ พวกมันซ้อนกันเหมือนแบตเตอรี่ลิเธียมหรือม้วนเหมือนแบตเตอรี่ AA หรือลิเธียมไอออนทั่วไป
แบตเตอรี่โฟมเป็นแนวคิดใหม่ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้าในอวกาศ 3 มิติ
โครงสร้าง 3 มิตินี้สามารถเร่งเวลาในการชาร์จและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานได้ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญอย่างยิ่งของแบตเตอรี่ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่อื่นๆ ส่วนใหญ่ แบตเตอรี่โฟมไม่มีอิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่เป็นอันตราย
แบตเตอรี่โฟมใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งแทนอิเล็กโทรไลต์เหลว อิเล็กโทรไลต์นี้ไม่เพียงแต่นำลิเธียมไอออนเท่านั้น แต่ยังเป็นฉนวนกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ อีกด้วย

ขั้วบวกที่เก็บประจุลบของแบตเตอรี่ทำจากทองแดงโฟมและเคลือบด้วยวัสดุออกฤทธิ์ที่จำเป็น
จากนั้นจึงใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งรอบๆ ขั้วบวก
ในที่สุดสิ่งที่เรียกว่า "กาวเชิงบวก" จะถูกนำมาใช้เพื่อเติมช่องว่างภายในแบตเตอรี่
แบตเตอรี่อลูมิเนียมออกไซด์

แบตเตอรี่เหล่านี้มีความหนาแน่นพลังงานมากที่สุดแห่งหนึ่งเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ใดๆ พลังงานของแบตเตอรี่นั้นทรงพลังและเบากว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน บางคนอ้างว่าแบตเตอรี่เหล่านี้สามารถให้พลังงานไฟฟ้าได้ 2,000 กิโลเมตร แนวคิดนี้คืออะไร? สำหรับการอ้างอิง ระยะการล่องเรือสูงสุดของ Tesla อยู่ที่ประมาณ 600 กิโลเมตร
ปัญหาเกี่ยวกับแบตเตอรี่เหล่านี้คือไม่สามารถชาร์จได้ พวกมันผลิตอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์และปล่อยพลังงานผ่านปฏิกิริยาของอะลูมิเนียมและออกซิเจนในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ การใช้แบตเตอรี่ใช้อะลูมิเนียมเป็นขั้วบวก
แบตเตอรี่โซเดียม
ปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ชาวญี่ปุ่นกำลังทำงานเพื่อผลิตแบตเตอรี่ที่ใช้โซเดียมแทนลิเธียม
สิ่งนี้อาจก่อกวนได้ เนื่องจากในทางทฤษฎีแบตเตอรี่โซเดียมมีประสิทธิภาพมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมถึง 7 เท่า ข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งก็คือ โซเดียมเป็นธาตุที่ร่ำรวยที่สุดอันดับที่ 6 ในโลก เมื่อเทียบกับลิเธียมซึ่งเป็นธาตุที่หายาก