ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมปูทางสู่อนาคตพลังงานอัจฉริยะ

ในการพัฒนาที่ก้าวล้ำหลายชุด นักวิจัยทั่วโลกได้เปิดตัวนวัตกรรมที่พร้อมจะกำหนดนิยามใหม่ให้กับประสิทธิภาพและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียม การพัฒนาเหล่านี้แก้ไขปัญหาที่สำคัญในด้านความหนาแน่นของพลังงาน ความเร็วในการชาร์จ อายุการใช้งาน และความยั่งยืน ซึ่งส่งสัญญาณถึงการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมที่ต้องพึ่งพาการจัดเก็บพลังงาน ตั้งแต่รถยนต์ไฟฟ้า (EVs) ไปจนถึงระบบพลังงานหมุนเวียน

1. ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นเพื่อระยะทางที่ไกลขึ้น

นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนจากมหาวิทยาลัยเทียนจินได้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียม-โลหะที่ให้ความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า 600 Wh/kg—เพิ่มความจุเป็นสองเท่าหรือสามเท่าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิม ความก้าวหน้านี้เผยแพร่ใน Nature, ใช้ประโยชน์จากการออกแบบอิเล็กโทรไลต์แบบ "กระจายตัว" แบบใหม่เพื่อรักษาเสถียรภาพของโครงสร้างแบตเตอรี่ในขณะที่เพิ่มการจัดเก็บพลังงานให้สูงสุด เทคโนโลยีนี้ได้ถูกนำไปใช้ในเครื่องบินไร้คนขับไฟฟ้าขนาดเล็กแล้ว ซึ่งช่วยยืดเวลาการบินออกไป 2.8 เท่า  ในทำนองเดียวกัน มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหัวจงได้สร้างอิเล็กโทรไลต์แบบ "ไมโครอิมัลชัน" ที่ช่วยให้แบตเตอรี่สามารถเข้าถึง 547 Wh/kg ในขณะที่ยังคงรักษาความปลอดภัยเป็นพิเศษ ผ่านการทดสอบการเจาะตะปูโดยไม่มีการจุดระเบิด 

2. การชาร์จอย่างรวดเร็วเพื่อเชื่อมช่องว่างกับเชื้อเพลิงฟอสซิล

ที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ นักวิจัยระบุว่า "การลากด้วยไฟฟ้าออสโมติก" เป็นคอขวดสำคัญในแบตเตอรี่ที่ชาร์จเร็ว ด้วยการออกแบบอิเล็กโทรไลต์ใหม่ พวกเขาทำได้ ชาร์จ 80% ในเวลาเพียง 13 นาที—ซึ่งเป็นเหตุการณ์สำคัญสำหรับ EVs ที่ปัจจุบันต้องใช้เวลาหลายชั่วโมงในการชาร์จ การค้นพบนี้มีรายละเอียดใน Science, เปิดเส้นทางสู่การทำให้การชาร์จ EV รวดเร็วพอๆ กับการเติมเชื้อเพลิงรถยนต์เบนซิน 

3. การยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่และเพิ่มความปลอดภัย

ทีมงานที่สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติอุลซาน (UNIST) ของเกาหลีใต้ได้เปิดตัวอิเล็กโทรไลต์โพลิเมอร์เจลที่ฝังด้วยแอนทราซีน วัสดุนี้ช่วยยับยั้งชนิดของออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยา ซึ่งเป็นสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ ยืดอายุการใช้งานรอบการทำงานออกไป 2.8 เท่า และลดการบวมลงหกเท่า การปรับปรุงดังกล่าวมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแบตเตอรี่ EV แรงดันไฟฟ้าสูง ซึ่งมักประสบปัญหาด้านเสถียรภาพ 

4. การคิดใหม่เกี่ยวกับการออกแบบแบตเตอรี่เพื่อประสิทธิภาพและความยั่งยืน

LG Energy Solution กำลังบุกเบิก แบตเตอรี่แบบไม่มีขั้วบวก, ซึ่งกำจัดวัสดุที่ใช้งานอยู่ของขั้วบวก เช่น กราไฟต์ การออกแบบนี้ช่วยเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานโดยการเพิ่มประสิทธิภาพพื้นที่และลดความซับซ้อนในการผลิต ลดต้นทุน บริษัทมีเป้าหมายที่จะรวมสิ่งนี้เข้ากับเทคโนโลยีโซลิดสเตตเพื่อแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยและทรงพลังยิ่งขึ้น  ในขณะเดียวกัน มหาวิทยาลัยชุง-อังได้พัฒนาวัสดุชั้นกลางสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยวโคบอลต์ นวัตกรรมนี้ช่วยลด "ผลกระทบจากรถรับส่งโพลีซัลไฟด์" ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญสำหรับเคมีที่มีศักยภาพสูงนี้ 

5. รากฐานทางทฤษฎีสำหรับนวัตกรรมในอนาคต

นักวิจัย MIT เสนอแบบจำลองแบบรวมที่เน้นว่า การถ่ายโอนอิเล็กตรอน—ไม่ใช่การเคลื่อนที่ของไอออน—เป็นขั้นตอนที่จำกัดอัตราในการชาร์จ เผยแพร่ใน Science, ทฤษฎีนี้ให้กรอบการทำงานสากลสำหรับการออกแบบแบตเตอรี่รุ่นต่อไป ก้าวข้ามแนวทางแบบลองผิดลองถูก

ผลกระทบต่อโลกที่เชื่อมต่อถึงกัน

ความก้าวหน้าเหล่านี้แก้ไขความต้องการเร่งด่วนของการใช้พลังงานไฟฟ้าโดยรวม ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นรองรับ EVs และการเคลื่อนที่ทางอากาศในระยะทางที่ไกลขึ้น ในขณะที่การชาร์จที่เร็วขึ้นและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นช่วยเพิ่มความสะดวกสบายของผู้บริโภคและลดของเสีย นวัตกรรมต่างๆ เช่น แบตเตอรี่แบบไม่มีขั้วบวกและลิเธียม-ซัลเฟอร์ยังสัญญาว่าจะลดการพึ่งพาแหล่งทรัพยากรที่หายาก ซึ่งสอดคล้องกับเป้าหมายด้านความยั่งยืนระดับโลก

ในขณะที่ห้องปฏิบัติการทั่วโลกผลักดันขอบเขตของการจัดเก็บพลังงาน ความก้าวหน้าเหล่านี้เน้นย้ำถึงอนาคตที่พลังงานที่สะอาดและมีประสิทธิภาพสามารถเข้าถึงได้—ขับเคลื่อนทุกสิ่งตั้งแต่สมาร์ทดีไวซ์ไปจนถึงสมาร์ทซิตี้