นักวิจัยจาก University of Maryland พัฒนาแบตเตอรี่ที่นำเอาสารสกัดจากกระดองปูมาทำแบตเตอรี่ เปิดความเป็นไปได้ในการพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดใหม่เพื่อใช้งานในเชิงพาณิชย์ซึ่งไม่เพียงจะมีราคาถูกลงแต่ยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมด้วย

ในปัจจุบันนี้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนชนิดที่ได้รับความนิยมด้านการใช้งานมากเนื่องจากความสามารถในการเก็บประจุและความเสถียรในการใช้งานซ้ำ แต่ปัญหาสำคัญของแบตเตอรี่ชนิดนี้คือลิเธียมและโคบอลต์ซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญนั้นหายากทำให้มีต้นทุนในการผลิตค่อนข้างสูง และนี่คือที่มาของงานวิจัยนี้

ทีมวิจัยได้พุ่งความสนใจไปที่การสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้ไอออนสังกะสีแทนลิเธียมไอออน เนื่องจากสังกะสีนั้นเป็นธาตุที่หาได้ง่ายกว่ามาก อย่างไรก็ตามที่ผ่านมาการพัฒนาแบตเตอรี่สังกะสีมีอุปสรรคสำคัญคือการเกิด dendrite ขึ้นในแบตเตอรี่ซึ่งเกี่ยวพันกับเรื่องอายุการใช้งานของแบตเตอรี่, ประสิทธิภาพในการใช้งานหลังชาร์จไฟ รวมทั้งเรื่องความเสี่ยงของการลัดวงจรในตัวแบตเตอรี่

dendrite ที่ว่านี้หมายถึงโครงสร้างเนื้อโลหะรูปร่างคล้ายเฟิร์นที่เกิดขึ้นจากอนุภาคโลหะของขั้วไฟฟ้ามาสะสมก่อตัวกันซึ่งเป็นเรื่องปกติในการใช้งานแบตเตอรี่ สำหรับแบตเตอรี่ที่เกิด dendrite ได้ง่ายและเกิดเร็วนั้นจะมีอายุการใช้งานสั้น และประสิทธิภาพการจ่ายไฟจะแย่ลงมากหลังการชาร์จไฟ และยิ่งหาก dendrite ที่เกิดขึ้นมีโครงสร้างงอกรุกล้ำผ่านชั้นวัสดุกั้นกลางของแบตเตอรี่แล้วมันจะทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วไฟฟ้าภายในตัวแบตเตอรี่เอง

และด้วยความสำคัญของปัญหา dendrite ดังที่ว่ามาจึงทำให้โจทย์สำคัญของงานวิจัยนี้ก็คือการหาวิธีที่จะสร้างแบตเตอรี่ไอออนสังกะสีที่จะไม่เกิด dendrite โดยง่าย ซึ่งพวกเขาคิดหาทางด้วยการพัฒนาสารอิเล็กโตรไลท์ชนิดพิเศษ

สารอิเล็กโตรไลท์ที่ว่านี้คือสารที่เป็นสื่อกลางในการถ่ายเทประจุไอออนระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้ง 2 ภายในตัวแบตเตอรี่ ซึ่งอาจมีลักษณะเป็นของเหลว, ครีมข้น หรือเป็นเจลก็ได้ (น้ำกรดในแบตเตอรี่รถยนต์ก็เป็นสารอิเล็กโตรไลท์อย่างหนึ่ง) คุณสมบัติของสารอิเล็กโตรไลท์นั้นขั้นต้นคือต้องนำไอออนของธาตุที่ใช้เป็นขั้วแบตเตอรี่ได้ซึ่งในที่นี้ก็คือสังกะสี ส่วนคุณสมบัติสำคัญข้อต่อมาสำหรับงานวิจัยนี้คือมันจะต้องช่วยลดการเกิด dendrite ของธาตุสังกะสี ยิ่งเกิด dendrite ได้ยากเท่าไหร่ ยิ่งทำให้แบตเตอรี่มีความปลอดภัยในการใช้งานมากขึ้น ทั้งยังเพิ่มอายุการใช้งานและจำนวนรอบในการชาร์จซ้ำโดยยังคงประสิทธิภาพการจ่ายไฟได้ดีด้วย และสุดท้ายสารอิเล็กโตรไลท์ที่ทีมวิจัยต้องการนั้นจะต้องมีต้นทุนในการผลิตต่ำและหาวัสดุมาทำได้ง่าย

จากการค้นคว้าทีมวิจัยพบว่า chitosan คือคำตอบสำหรับพวกเขา มันช่วยลดการเกิด dendrite ของอนุภาคสังกะสีได้ดี ทั้งยังเป็นสิ่งที่หาได้ง่ายจากวัสดุเหลือทิ้งที่มีอยู่มากมายอย่างกระดองปู เนื่องจาก chitosan เป็นสารสกัดจาก chitin อันเป็นพอลิเมอร์ที่มีอยู่อย่างมากมายตามธรรมชาติซึ่งสามารถพบได้ทั้งในสัตว์เปลือกแข็งอย่างปูและกุ้ง รวมทั้งผนังเซลของราบางชนิด

จากการทดสอบทีมวิจัยพบว่าแบตเตอรี่ไอออนสังกะสีที่ใช้ chitosan มาทำเป็นสารอิเล็กโตรไลท์นั้นยังคงประสิทธิภาพในการจ่ายไฟสูงถึง 99.7% หลังการชาร์จไฟซ้ำ 1,000 รอบ

นอกจากนี้แบตเตอรี่ของทีมวิจัยยังมีข้อเด่นอีกประการคือมันเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบลิเธียมไอออน เนื่องจากจุลชีพนั้นสามารถย่อยสลาย chitosan ได้ง่าย ทีมวิจัยระบุว่าองค์ประกอบ 2 ใน 3 ของแบตเตอรี่ที่พวกเขาพัฒนาขึ้นนั้นสามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติภายในเวลา 5 เดือน ส่วนสังกะสีที่หลงเหลือหลังจากนั้นก็สามารถนำมารีไซเคิลเพื่อใช้งานใหม่ได้อีก ซึ่งแตกต่างอย่างมาจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันที่มีชิ้นส่วนบางอย่าง เช่น โพลีคาร์บอเนตและโพลีโพรพีลีนที่ใช้ในแบตเตอรี่ ต้องอาศัยเวลานานหลายร้อยหรือหลายพันปีกว่าจะย่อยสลายได้หมด

เรียกได้ว่างานวิจัยนี้ถือเป็นก้าวสำคัญของวงการแบตเตอรี่ที่วันหนึ่งอาจส่งผลให้อุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น ฟาร์มผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์, ฟาร์มผลิตไฟฟ้าพลังงานลม หรือรถยนต์ไฟฟ้า มีความรุดหน้าและแพร่หลายได้รวดเร็วยิ่งขึ้น

ผู้ที่สนใจสามารถอ่านรายละเอียดของงานวิจัยนี้เพิ่มเติมได้ที่นี่

ที่มา – Interesting Engineering

ภาพ: Diego Delso, delso.photo, License CC-BY-SA