วัสดุ ‘มหัศจรรย์’ ละลายได้ แก้ปัญหาแบต EV?
ความน่าแปลกใจของรถยนต์ไฟฟ้าที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมคือปริมาณขยะอิเล็กทรอนิกส์มหาศาลที่พวกมันสร้างขึ้น จนถึงขณะนี้ ความพยายามส่วนใหญ่ในการรีไซเคิลแบตเตอรี่ EV มีราคาแพงและเป็นพิษทางเคมี และยังไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร อย่างไรก็ตาม สิ่งนั้นอาจเปลี่ยนไปในเร็ว ๆ นี้ด้วยความก้าวหน้าที่สดใสจาก MIT
ในงานวิจัย Nature Chemistry ที่เผยแพร่เมื่อวันที่ 28 สิงหาคม นักวิจัยได้อธิบายถึงวัสดุประกอบตัวเองชนิดใหม่ที่ละลายได้ง่ายในตัวทำละลายอินทรีย์ มันทำงานได้ค่อนข้างดีในฐานะอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์แบตเตอรี่แบบ Solid-state ซึ่งเป็นการออกแบบที่ผู้ผลิต EV รายใหญ่กำลัง แข่งขัน กัน เพื่อนำไปใช้ ที่สำคัญ กระบวนการนี้ไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีและสภาวะทางความร้อนที่รุนแรงซึ่งทำให้การรีไซเคิลแบตเตอรี่ EV เป็นเรื่องยาก ดังนั้นจึงนำเสนอโอกาสที่มีแนวโน้มสำหรับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ในวงกว้าง นักวิจัยกล่าว
“แนวทางของเราคือเริ่มต้นด้วยวัสดุที่รีไซเคิลได้ง่ายและคิดหาวิธีทำให้เข้ากันได้กับแบตเตอรี่” Yukio Cho ผู้เขียนนำของการศึกษาและนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุที่ Stanford กล่าว MIT News “การออกแบบแบตเตอรี่สำหรับการรีไซเคิลตั้งแต่เริ่มต้นเป็นแนวทางใหม่”
แรงบันดาลใจสำหรับแนวทาง “รีไซเคิลก่อน” นี้มาจากฉากใน Harry Potter Cho กล่าว ซึ่งศาสตราจารย์ Dumbledore ได้ซ่อมบ้านเก่าด้วยเวทมนตร์เพียงแค่สะบัดมือ
เพื่อจำลองเวทมนตร์แบบนั้นในแบตเตอรี่ EV Cho และเพื่อนร่วมงานของเขาจึงพิจารณาอย่างใกล้ชิดถึงหน้าที่ของส่วนประกอบแบตเตอรี่แต่ละส่วน พวกเขาพบว่าส่วนที่ยากที่สุดแต่เป็นส่วนสำคัญที่สุดคืออิเล็กโทรไลต์ ซึ่งทำหน้าที่ขนส่งลิเธียมไอออนระหว่างแคโทดขั้วบวกและอิเล็กโทรดขั้วลบ นอกจากนี้ยังสมเหตุสมผลที่จะมุ่งเน้นไปที่อิเล็กโทรไลต์จากมุมมองของการรีไซเคิลก่อน เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ ไวไฟสูง และสลายตัวเป็นของเสียที่เป็นพิษและจัดการได้ยาก
สำหรับอิเล็กโทรไลต์ “มหัศจรรย์” ของพวกเขา ทีมงานเลือก aramid amphiphiles (AAs) ซึ่งเป็นกลุ่มโมเลกุลที่ประกอบตัวเองในน้ำ และที่น่าประหลาดใจคือลอกเลียนแบบโครงสร้างทางเคมีและความเสถียรของเคฟลาร์ จากนั้นพวกเขาก็ติด polyethylene glycol (PEG) ซึ่งนำลิเธียมไอออน ไปที่ปลายด้านหนึ่งของแต่ละโมเลกุล
เมื่อทีมงานนำระบบโมเลกุลนี้ไปสัมผัสกับน้ำ พวกเขาพบว่ามันประกอบตัวเองเป็นโครงสร้างนาโนริบบอนที่สามารถนำพาไอออนข้ามพื้นผิวได้ นั่นคืออิเล็กโทรไลต์ที่ใช้งานได้
ขั้นตอนต่อไปคือการตรวจสอบให้แน่ใจว่าวัสดุนี้สามารถทำงานได้อย่างสมเหตุสมผลภายในแบตเตอรี่จริง เพื่อทดสอบสิ่งประดิษฐ์ของพวกเขา ทีมงานได้ทำการทดลองในขั้นต้นที่ทำให้วัสดุต้องเผชิญกับความเครียดชนิดต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสร้างและการใช้งานแบตเตอรี่ นาโนริบบอนผ่านการตรวจสอบคุณภาพนี้ได้อย่างสวยงาม
ต่อไป พวกเขาได้สร้างเซลล์แบตเตอรี่แบบ Solid-state โดยใช้วัสดุทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่จริง: ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตสำหรับแคโทด และลิเธียมไทเทเนียมออกไซด์สำหรับแอโนด แน่นอนว่าอิเล็กโทรไลต์ถูกสร้างขึ้นจากวัสดุเวทมนตร์ใหม่ของทีม
การทดสอบนี้ให้ผลลัพธ์ที่หลากหลาย แม้ว่านาโนริบบอนจะขนส่งลิเธียมไอออนระหว่างอิเล็กโทรดได้สำเร็จ แต่ไอออนก็เป็นครั้งคราวที่ถูกกันชนระหว่างการชาร์จและการคายประจุอย่างรวดเร็ว นักวิจัยรายงาน
เมื่อแจ้งขั้นตอนการตรวจสอบเพิ่มเติม ทีมงานได้หย่อนเซลล์แบตเตอรี่ลงในตัวทำละลายอินทรีย์ ซึ่งมันละลายเหมือน “ขนมสายไหม” ในน้ำ Cho เล่า
“เราไม่อยากจะบอกว่าเราแก้ปัญหาทั้งหมดด้วยวัสดุนี้แล้ว” Cho ยอมรับ การพิสูจน์แนวคิดแสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ที่น่าหวัง แต่ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นั้นต่ำกว่ามาตรฐานอุตสาหกรรมมาก เขากล่าว
กล่าวคือ สิ่งที่นักวิจัยกำลังจินตนาการถึงวัสดุนี้ในอนาคตอันใกล้นี้ คืออิเล็กโทรไลต์ที่รวมวัสดุนี้เข้าไปด้วย อาจจะเป็นในชั้นเดียวหรือสองชั้น และไม่จำเป็นต้องเป็นแบตเตอรี่ทั้งหมด แม้แต่ส่วนเล็กๆ ของแบตเตอรี่ที่ทำจากวัสดุนี้ก็สามารถเริ่มกระบวนการรีไซเคิลได้อย่างง่ายดาย Cho อธิบาย
เดิมพันสูง ยอดขาย EV ยังคง เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง อุปทานลิเธียมมีชื่อเสียง ขาดแคลน หากอุตสาหกรรม EV ชื่นชอบวัสดุนี้ ก็จะเปิดโอกาสใหม่ ๆ สำหรับการรีไซเคิลขยะลิเธียมในวงกว้าง แต่ทีมงานจะต้องแสดงให้เห็นว่าการลงทุนนั้นคุ้มค่าอย่างแท้จริง ยิ่งเร็วยิ่งดี
วัสดุ ‘มหัศจรรย์’ ละลายได้ แก้ปัญหาแบต EV?
วัสดุ ‘มหัศจรรย์’ นี้ช่วยการรีไซเคิลแบต EV ได้อย่างไร?
ทีมวิจัยได้สร้างวัสดุที่เรียกว่า aramid amphiphiles (AAs) มาใช้ในการเป็นส่วนประกอบสำคัญในการผลิตแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า (EV) ที่สามารถนำไปรีไซเคิลได้ง่ายขึ้น ซึ่งเป็นการแก้ไขปัญหาสำคัญของอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบัน เพราะวัสดุ ‘มหัศจรรย์’ ละลายได้ แก้ปัญหาแบต EV? ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
วัสดุ ‘มหัศจรรย์’ ละลายได้ แก้ปัญหาแบต EV? เพราะคุณสมบัติที่สามารถประกอบตัวเองและละลายได้ง่ายในตัวทำละลายอินทรีย์ทำให้กระบวนการรีไซเคิลง่ายขึ้นและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น
การพัฒนานี้มีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากความต้องการรถยนต์ไฟฟ้า (EV) เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับปัญหาการจัดการขยะจากแบตเตอรี่ที่หมดอายุการใช้งาน การมีวัสดุ ‘มหัศจรรย์’ ละลายได้ แก้ปัญหาแบต EV? จะเป็นส่วนช่วยสำคัญในการสร้างวงจรการใช้งานที่ยั่งยืนสำหรับอุตสาหกรรม EV
ในอนาคตอันใกล้ เราอาจได้เห็นการนำวัสดุชนิดนี้ไปใช้ในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้ามากขึ้น ซึ่งจะช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและส่งเสริมการรีไซเคิลอย่างมีประสิทธิภาพ