แบตเตอรี่โซลิดสเตตแบบยืดหยุ่นคืออะไร?

นักวิทยาศาสตร์นานาชาติกลุ่มหนึ่งได้พัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตชนิดใหม่ที่สามารถเพิ่มระยะของยานพาหนะไฟฟ้าและป้องกันไฟไหม้ในแล็ปท็อปและสมาร์ทโฟน ผู้เขียนอธิบายการค้นพบของพวกเขาใน Advanced Energy Materials ด้วยการแทนที่อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ใช้ในแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ทั่วไปด้วย 'ของแข็ง' อิเล็กโทรไลต์ที่ทำจากเซรามิกจึงสามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพและใช้งานได้ยาวนานขึ้น และยังปลอดภัยสำหรับการใช้งานอีกด้วย นักวิจัยหวังว่าข้อได้เปรียบเหล่านี้จะช่วยปูทางให้แบตเตอรี่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับอุปกรณ์ทุกประเภท ซึ่งรวมถึงรถยนต์ไฟฟ้า

ผู้เขียนผลการศึกษาจากสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักรได้สำรวจทางเลือกอื่นแทนอิเล็กโทรไลต์เหลวในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาระยะหนึ่งแล้ว ในปี 2016 พวกเขาได้ประกาศการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่สามารถทำงานได้มากกว่าสองเท่าของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ลิเธียมไอออนทั่วไป แต่มีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน

แม้ว่าการออกแบบล่าสุดของพวกเขาแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงที่สำคัญในเวอร์ชันก่อนหน้านี้ นักวิจัยศาสตราจารย์ Donald Sadoway จาก MIT ตั้งข้อสังเกตว่ายังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุง: "การบรรลุค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกสูงในวัสดุเซรามิกที่อุณหภูมิสูงอาจเป็นเรื่องยาก" เขาอธิบาย "นี่เป็นความสำเร็จครั้งยิ่งใหญ่" นักวิจัยหวังว่าหลังจากทดสอบแบตเตอรี่ที่ปรับปรุงแล้วเหล่านี้จะพิสูจน์ได้ว่าเหมาะสำหรับยานพาหนะไฟฟ้าหรือแม้แต่การจ่ายพลังงานให้กับเครื่องบิน

ในสถานะโซลิดสเตตแบตเตอรี่จะป้องกันความเสียหายเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปได้โดยใช้อิเล็กโทรไลต์เซรามิกแทนของเหลวที่ติดไฟได้ หากแบตเตอรี่เสียหายและเริ่มมีความร้อนสูงเกินไป ถ่านอิเล็กโทรไลต์เซรามิกแทนที่จะจุดไฟ ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดไฟไหม้ รูพรุนในโครงสร้างของวัสดุที่เป็นของแข็งเหล่านี้ยังช่วยให้พวกมันรับภาระประจุไฟฟ้าได้สูงขึ้นมาก โดยไอออนจะเคลื่อนที่ผ่านเครือข่ายที่ขยายออกไปภายในของแข็ง

คุณลักษณะเหล่านี้หมายความว่านักวิทยาศาสตร์สามารถเพิ่มทั้งแรงดันไฟและความจุของแบตเตอรี่ได้ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่มีอิเล็กโทรไลต์เหลวไวไฟ ในความเป็นจริง ศาสตราจารย์ Sadoway กล่าวว่า "เราแสดงให้เห็นเซลล์ลิเธียมอากาศที่มี 12 โวลต์ทำงานที่ 90 องศาเซลเซียส [194 องศาฟาเรนไฮต์] ซึ่งสูงกว่าที่ใคร ๆ ก็ทำได้"

การออกแบบแบตเตอรี่ใหม่นี้มีข้อดีอื่น ๆ ที่อาจเป็นไปได้มากกว่าอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ รวมถึงข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กโทรไลต์เซรามิกโดยทั่วไปมีความเสถียรมากกว่าแบบอินทรีย์ "สิ่งที่น่าทึ่งก็คือมันทำงานได้ดีเพียงใด" ศาสตราจารย์ซาโดเวย์กล่าว "เราได้รับพลังงานจากเซลล์นี้มากกว่าที่เราใส่เข้าไป"

ความเสถียรนี้สามารถช่วยให้ผู้ผลิตบรรจุเซลล์โซลิดสเตตจำนวนมากลงในแล็ปท็อปหรือรถยนต์ไฟฟ้าโดยไม่ต้องกังวลว่าเซลล์จะร้อนเกินไป ทำให้อุปกรณ์ปลอดภัยยิ่งขึ้นและยืดอายุการใช้งานได้ ในปัจจุบัน หากแบตเตอรี่ประเภทนี้มีความร้อนสูงเกินไป อาจเสี่ยงต่อการถูกไฟไหม้ เช่นเดียวกับโทรศัพท์ Samsung Galaxy Note 7 ที่เพิ่งเกิดขึ้น เปลวไฟที่เกิดขึ้นจะไม่สามารถแพร่กระจายได้เนื่องจากไม่มีอากาศภายในเซลล์เพื่อคงการเผาไหม้ แท้จริงแล้วพวกมันจะไม่สามารถแพร่กระจายออกไปนอกบริเวณที่เกิดความเสียหายในขั้นต้นได้

วัสดุที่เป็นของแข็งเหล่านี้มีอายุการใช้งานยาวนานมาก ในทางตรงกันข้าม ความพยายามบางอย่างในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟได้ ซึ่งทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า (มากกว่า 100°C) มักจะติดไฟหลังจากผ่านไป 500 หรือ 600 รอบ อิเล็กโทรไลต์เซรามิกสามารถทนต่อรอบการชาร์จ/การคายประจุได้มากกว่า 7500 รอบโดยไม่เกิดไฟไหม้"

การค้นพบใหม่อาจมีนัยสำคัญอย่างมากสำหรับการขยายขอบเขตของ EV และการป้องกันไฟไหม้สมาร์ทโฟน ตาม Sadoway: "แบตเตอรี่รุ่นเก่ามีแบตเตอรี่ตะกั่วกรด [รถยนต์] พวกเขามีช่วงสั้น ๆ แต่มีความน่าเชื่อถืออย่างไม่น่าเชื่อ" เขากล่าวเสริมว่าจุดอ่อนที่ไม่คาดฝันของพวกเขาคือ "ถ้ามันร้อนกว่าประมาณ 60°C แล้ว มันจะลุกเป็นไฟ”

เขาอธิบายว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันเป็นอีกขั้นหนึ่งจากสิ่งนี้ “พวกมันมีพิสัยไกล แต่พวกมันอาจได้รับความเสียหายจากความร้อนสูงเกินไปและการถูกไฟไหม้” เขากล่าวเสริมว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตใหม่อาจเป็น "ความก้าวหน้าขั้นพื้นฐาน" เพราะมันอาจนำไปสู่อุปกรณ์ที่เชื่อถือได้และปลอดภัยกว่ามาก

นักวิทยาศาสตร์ที่ MIT คิดว่าเทคโนโลยีนี้อาจใช้เวลาห้าปีกว่าจะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลาย แต่ถึงแม้จะเป็นต้นปีหน้า พวกเขาหวังว่าจะเห็นแบตเตอรี่ประเภทนี้ติดตั้งอยู่ในสมาร์ทโฟนจากผู้ผลิตรายใหญ่ เช่น Samsung หรือ Apple พวกเขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่ามีการใช้เซลล์เหล่านี้ในเชิงพาณิชย์มากมายนอกเหนือจากโทรศัพท์ รวมถึงแล็ปท็อปและยานพาหนะไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ศาสตราจารย์ Sadoway เตือนว่ายังมีอีกทางหนึ่งที่ต้องดำเนินการก่อนที่เทคโนโลยีจะสมบูรณ์ "เรามีเซลล์ที่ดูดีจริงๆ แต่มันยังเร็วเกินไป . . . เรายังไม่ได้สร้างเซลล์ที่มีอิเล็กโทรดความหนาแน่นกำลังสูงขนาดใหญ่และขนาดใหญ่"

Sadoway เชื่อว่าการพัฒนาครั้งนี้จะถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในทันที เพราะมันไม่เพียงแต่จะเติมเชื้อเพลิง EV ด้วยระยะที่ไกลกว่าเท่านั้น แต่ยังป้องกันไฟไหม้สมาร์ทโฟนได้อีกด้วย บางทีสิ่งที่น่าประหลาดใจกว่านั้นก็คือคำทำนายของเขาที่ว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตตจะถูกนำมาใช้ในระดับสากลภายในเวลาไม่ถึงห้าปีเมื่อผู้ผลิตส่วนใหญ่เชื่อมั่นในความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือ