แบตเตอรี่ลิเธียม-กำมะถันอาจเป็นเซลล์กำลังรุ่นต่อไปที่เราใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าของเรา หากนักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น และนั่นคือสิ่งที่ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกนพยายามทำให้สำเร็จด้วยการพัฒนาแบตเตอรี่ 1,000 รอบที่สามารถเพิ่มช่วง EV ได้ห้าเท่า

แบตเตอรี่ Lithium-sulphur มีศักยภาพอย่างไร?

แบตเตอรี่Lithium-sulphur (Li-S) มีข้อดีหลายประการเหนือลิเธียมไอออน (Li-ion):

ความหนาแน่นพลังงานตามทฤษฎีของเซลล์ลิเธียม-ซัลเฟอร์คือ 2,510Wh/kg เมื่อเทียบกับลิเธียมไอออน 300Wh/kg ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ Li-S สามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ Li-ion สองถึงห้าเท่า และในทางกลับกัน ก็สามารถมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นอย่างมากในการชาร์จครั้งเดียว ทำให้ได้ช่วงที่กว้างขึ้น
แทนที่จะใช้โคบอลต์ราคาแพง ซึ่งเสี่ยงต่อห่วงโซ่อุปทานทั่วโลกที่เปราะบาง พวกเขาใช้กำมะถันซึ่งมีราคาถูกกว่าและเป็นธาตุที่มีมากเป็นอันดับที่ 9 ของโลก

นอกจากข้อดีที่กล่าวมานั้น ก็ยังมีปัญหาบางประการเช่นกัน

ปัญหาหลักคือแบตเตอรี่ Li-S ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้เพียงพอสำหรับการใช้ในครั้งต่อไป แปลว่าไม่สามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์ ซึ่งปัญหานี้เกี่ยวกับปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นภายในนั้นเอง

ปัญหาแรกแรก การชาร์จแบตเตอรี่ Li-S ทำให้เกิดการสะสมของสารเคมีที่ทำให้เซลล์เสื่อมคุณภาพและอายุการใช้งานสั้นลง
ตะกอนเหล่านี้ก่อตัวเป็นโครงสร้างบางๆ คล้ายต้นไม้ที่เรียกว่าเดนไดรต์ ซึ่งเติบโตบนลิเธียมแอโนด ซึ่งเป็นขั้วลบภายในแบตเตอรี่ ส่งผลให้ขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์เสื่อมสภาพ และอาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและเกิดความร้อนสูงเกินไปได้

ปัญหาที่สอง ปัญหา“ลิเธียมโพลีซัลไฟด์” (lithium polysulfides)
เมื่อไอออนลิเธียมถูกดูดซับโดยอิเล็กโทรดกำมะถัน (แคโทด) พวกมันจะทำปฏิกิริยาและสร้างสารประกอบกำมะถันที่ประกอบด้วยลิเธียม: โพลีซัลไฟด์
สารประกอบเหล่านี้ไม่เพียงแต่ทำให้แคโทดของซัลเฟอร์เสื่อมที่เติบโต แต่ยังไหลไปยังลิเธียมแอโนดและยึดติดกับมันด้วย ซึ่งทำให้ฉนวนของแอโนดเป็นฉนวนและทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง

ปัญหาทั้งหมดนี้ถูกแก้ได้ด้วยเมมเบรนเดียวเท่านั้น!

เพื่อจัดการกับปัญหาเหล่านี้ ทีมวิจัยได้พัฒนาเมมเบรนที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพซึ่งทำจากเคฟลาร์รีไซเคิล ซึ่งเป็น “วัสดุชนิดเดียวกับที่ใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุน”

เมมเบรนนี้อนุญาตให้นักวิจัยสร้างเครือข่ายของเส้นใยนาโนอะรามิด ซึ่งสามารถหยุดการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ได้สำเร็จ

แต่เพื่อป้องกันการไหลของลิเธียมโพลีซัลไฟด์ ทีมงานต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเมมเบรนมีความสามารถในการดำเนินการกระบวนการที่เรียกว่า “การคัดเลือกไอออน” พูดง่ายๆ นักวิจัยจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าเมมเบรนเคฟลาร์จะช่วยให้ลิเธียมไอออนสามารถไหลระหว่างขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ได้ ในขณะเดียวกันก็ปิดกั้นการไหลของโพลีซัลไฟด์ด้วย

ในการทำเช่นนั้น พวกเขาเพิ่มประจุไฟฟ้าไปที่รูพรุนของเมมเบรนและใช้ประโยชน์จากโพลิซัลไฟด์ด้วยตัวมันเอง เมื่อลิเธียมโพลีซัลไฟด์ติดอยู่กับเมมเบรนนาโนไฟเบอร์ ประจุลบของพวกมันจะขับไล่ลิเธียมพอลิซัลไฟด์ไอออนที่ก่อตัวต่อไปที่อิเล็กโทรดกำมะถัน อย่างไรก็ตาม ลิเธียมไอออนที่มีประจุบวกสามารถผ่านได้อย่างอิสระ

นักวิจัยชั้นนำ Nicholas Kotov กล่าวว่าการออกแบบของแบตเตอรี่นั้น “เกือบจะสมบูรณ์แบบ” ด้วยความจุและประสิทธิภาพที่ใกล้จะถึงขีดจำกัดทางทฤษฎีแล้ว โดยแบตเตอรี่ Li-S ที่มีแนวโน้มดีทีเดียวสำหรับการนำมาใช้งาน

ยิ่งไปกว่านั้น มันยังทนทานต่ออุณหภูมิสุดขั้วของชีวิตยานยนต์อีกด้วย

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ในโลกแห่งความเป็นจริงอาจสั้นลงด้วยการชาร์จอย่างรวดเร็วประมาณ 1,000 รอบ ซึ่งถือว่ามีอายุการใช้งาน 10 ปี

มหาวิทยาลัยมิชิแกนได้จดสิทธิบัตรเมมเบรนและ Kotov กำลังพัฒนาบริษัทเพื่อนำออกสู่ตลาด คุณสามารถหาเอกสารการศึกษาใน Nature Communications

ที่มา : thenextweb , umich