แบตเตอรี่รถไฟฟ้าแบบไม่มีแอโนดติดปัญหาอะไร และผิวทองแดงระดับนาโนช่วยให้อายุใช้งานดีขึ้นอย่างไร?

* รูปภาพใช้เพื่อประกอบเนื้อหาเท่านั้น อาจไม่ใช่ภาพเหตุการณ์จริงหรือภาพจริงจากเรื่องในบทความ

แบตเตอรี่แบบไม่มีแอโนดตัดชั้นวัสดุอย่างกราไฟต์ออก แล้วปล่อยให้ลิเธียมจากขั้วบวกไปเกาะบนแผ่นทองแดงขณะชาร์จ จึงมีโอกาสลดน้ำหนักและเพิ่มพลังงานต่อขนาดแบตเตอรี่ แต่ลิเธียมมักสะสมไม่สม่ำเสมอจนแบตเตอรี่เสื่อมเร็ว งานของสถาบัน KAIST ในเกาหลีใต้ทดลองแก้ปัญหานี้ด้วยการทำผิวทองแดงเป็นท่อนาโนแล้วเคลือบวัสดุบางระดับนาโนที่เรียกว่า MXene

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปมีขั้วลบ เช่น กราไฟต์ ไว้เก็บลิเธียมระหว่างชาร์จ แต่รุ่น “ไม่มีแอโนด” หมายถึงไม่มีชั้นวัสดุเก็บลิเธียมแยกต่างหากตั้งแต่แรก เมื่อชาร์จ ลิเธียมจากอีกขั้วจึงไปสะสมบนแผ่นทองแดงโดยตรง การตัดชั้นกราไฟต์ช่วยประหยัดพื้นที่และน้ำหนัก ทว่าต้องควบคุมให้ลิเธียมเกาะเรียบและไม่สูญเสียไปกับปฏิกิริยาข้างเคียง

หากลิเธียมสะสมเป็นหย่อม ๆ ระหว่างการชาร์จซ้ำ ลิเธียมอาจงอกเป็นกิ่งหรือหนามเล็ก ๆ ที่เรียกว่าเดนไดรต์ ขณะเดียวกันชั้นฟิล์มที่เกิดตรงรอยต่อระหว่างลิเธียมกับสารละลายภายในแบตเตอรี่อาจไม่เสถียร ลิเธียมบางส่วนจึงใช้งานกลับไม่ได้ และประสิทธิภาพลดลง นี่เป็นอุปสรรคสำคัญที่ทำให้แบตเตอรี่ชนิดนี้ยังต้องแก้เรื่องอายุการใช้งาน

ทีมวิจัยทำลวดลายเป็นท่อขนาดจิ๋วบนแผ่นทองแดง เพื่อเพิ่มพื้นที่ให้ลิเธียมไปเกาะทั่วถึง แทนที่จะไปรวมตรงจุดใดจุดหนึ่ง ท่อแต่ละอันกว้างประมาณ 300 นาโนเมตรและสูง 150 นาโนเมตร ทำให้พื้นที่สำหรับสะสมลิเธียมเพิ่มขึ้นราวสี่เท่าเมื่อเทียบกับทองแดงผิวเรียบ

จากนั้นทีมเคลือบ MXene ซึ่งเป็นวัสดุสองมิติหนาประมาณ 10 นาโนเมตร งานทดลองพบว่าผิวนี้ช่วยดึงส่วนประกอบในสารละลายให้มาสร้างชั้นป้องกันที่มีลิเทียมฟลูออไรด์ หรือ LiF สะสมอยู่ ชั้นดังกล่าวเกิดแนบไปตามผิว MXene ช่วยให้ลิเธียมเกาะสม่ำเสมอขึ้น ลดปฏิกิริยาระหว่างลิเธียมกับสารละลาย และกดการงอกเป็นหนาม ทีมตรวจโครงสร้างด้วยเทคนิควิเคราะห์พื้นผิวและกล้องจุลทรรศน์หลายชนิด

ตัวเลขนี้มาจากการทดสอบเซลล์แบบเหรียญที่มีขั้วครบ ไม่ใช่ชุดแบตเตอรี่รถยนต์ เมื่อถึงรอบชาร์จ–คายประจุที่ 125 เซลล์ที่ใช้ผิว MXene บนทองแดงให้ความจุ 78.1 มิลลิแอมป์ชั่วโมงต่อกรัม และคายประจุคืนได้คิดเป็น 99.06% ของประจุที่ใส่เข้าไป ส่วนเซลล์ทองแดงผิวเรียบให้ความจุ 44.9 มิลลิแอมป์ชั่วโมงต่อกรัม และคายประจุคืนได้ 95.01% ตัวเลขนี้แสดงว่าผิวแบบใหม่ช่วยให้เซลล์ทดลองทำงานได้ดีขึ้นภายใต้เงื่อนไขที่ศึกษา

ผลดังกล่าวยังบอกไม่ได้ว่ารถไฟฟ้าจะวิ่งไกลขึ้นกี่กิโลเมตร หรือแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์จะใช้งานได้นานกี่ปี การทดลองนี้ตอบคำถามระดับวัสดุและเซลล์ว่า การเพิ่มพื้นที่ทองแดงพร้อมสร้างชั้นป้องกันลิเธียมช่วยลดการเกาะไม่สม่ำเสมอได้ ส่วนการผลิตแบตเตอรี่ขนาดใหญ่และทดสอบในรถจริงยังเป็นอีกขั้นหนึ่ง

ขอบคุณภาพประกอบจาก https://graphic.in.th