แนวคิดใหม่สำหรับแบตเตอรี่ราคาประหยัด

ในขณะที่โลกสร้างระบบพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ขึ้น ความต้องการระบบสำรองขนาดใหญ่ที่ประหยัดและประหยัดก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเพื่อจ่ายพลังงานเมื่อพระอาทิตย์ตกดินและอากาศสงบ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันยังคงแพงเกินไปสำหรับการใช้งานดังกล่าวส่วนใหญ่ และตัวเลือกอื่นๆ เช่น ปั๊มไฮโดรลิกต้องการภูมิประเทศที่เฉพาะเจาะจงซึ่งไม่ได้มีอยู่เสมอ

ตอนนี้ นักวิจัยที่ MIT และที่อื่น ๆ ได้พัฒนาแบตเตอรี่ชนิดใหม่ ซึ่งทำจากวัสดุที่อุดมสมบูรณ์และราคาไม่แพง ซึ่งอาจช่วยอุดช่องว่างนั้นได้

สถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ใหม่ซึ่งใช้อะลูมิเนียมและกำมะถันเป็นวัสดุอิเล็กโทรดสองชนิด โดยมีอิเล็กโทรไลต์เกลือหลอมเหลวอยู่ระหว่างนั้น มีการอธิบายไว้ในวารสารNatureในบทความของ MIT Professor Donald Sadoway พร้อมด้วยอีก 15 คนที่ MIT และในประเทศจีน แคนาดา เคนตักกี้ และเทนเนสซี

“ฉันต้องการคิดค้นสิ่งที่ดีกว่า ดีกว่ามาก กว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับการจัดเก็บแบบอยู่กับที่ขนาดเล็ก และท้ายที่สุดสำหรับยานยนต์ [uses]” Sadoway ซึ่งเป็นศาสตราจารย์กิตติคุณ John F. Elliott แห่ง Materials Chemistry อธิบาย

นอกจากจะมีราคาแพงแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังมีอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการขนส่ง ดังนั้น ซาโดเวย์จึงเริ่มศึกษาตารางธาตุ โดยมองหาโลหะที่มีปริมาณมากและราคาถูกซึ่งอาจใช้ทดแทนลิเธียมได้ โลหะที่โดดเด่นในเชิงพาณิชย์ เหล็ก ไม่มีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่เหมาะสมสำหรับแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพ เขากล่าว แต่โลหะที่มีปริมาณมากเป็นอันดับสองในตลาด — และที่จริงแล้วเป็นโลหะที่มีมากที่สุดในโลก — คืออลูมิเนียม “ฉันก็เลยบอกว่า เรามาทำที่คั่นหนังสือกันเถอะ มันจะเป็นอลูมิเนียม” เขากล่าว

จากนั้นจึงตัดสินใจว่าจะจับคู่อะลูมิเนียมกับอิเล็กโทรดอื่นกับอิเล็กโทรดชนิดใด และควรใส่อิเล็กโทรไลต์ชนิดใดเพื่อขนไอออนไปมาระหว่างการชาร์จและการคายประจุ อโลหะที่ถูกที่สุดคือกำมะถัน ดังนั้นจึงกลายเป็นวัสดุอิเล็กโทรดที่สอง สำหรับอิเล็กโทรไลต์ “เราจะไม่ใช้ของเหลวอินทรีย์ที่ระเหยและติดไฟได้” ซึ่งบางครั้งทำให้เกิดไฟไหม้ที่เป็นอันตรายในรถยนต์และการใช้งานอื่นๆ ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Sadoway กล่าว พวกเขาลองใช้โพลีเมอร์บางตัว แต่จบลงด้วยการมองหาเกลือหลอมเหลวหลายชนิดที่มีจุดหลอมเหลวค่อนข้างต่ำ ใกล้กับจุดเดือดของน้ำ เมื่อเทียบกับเกลือหลายชนิดเกือบ 1,000 องศาฟาเรนไฮต์ “เมื่อคุณลดอุณหภูมิร่างกายจนใกล้จะถึงอุณหภูมิร่างกายแล้ว มันจะเป็นประโยชน์” ในการผลิตแบตเตอรี่ที่ไม่ต้องใช้ฉนวนพิเศษและมาตรการป้องกันการกัดกร่อน เขากล่าว

ส่วนผสมสามอย่างที่พวกเขาลงเอยด้วยนั้นมีราคาถูกและหาได้ง่าย — อะลูมิเนียม ไม่ต่างจากฟอยล์ที่ซุปเปอร์มาร์เก็ต กำมะถันซึ่งมักเป็นของเสียจากกระบวนการต่างๆ เช่น การกลั่นปิโตรเลียม และเกลือที่หาได้ทั่วไป “ส่วนผสมมีราคาถูก และปลอดภัย — ไม่สามารถเผาไหม้ได้” Sadoway กล่าว

ในการทดลอง ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าเซลล์แบตเตอรี่สามารถทนได้หลายร้อยรอบด้วยอัตราการชาร์จที่สูงเป็นพิเศษ โดยมีค่าใช้จ่ายต่อเซลล์ประมาณหนึ่งในหกของจำนวนเซลล์ลิเธียมไอออนที่เปรียบเทียบกันได้ พวกเขาแสดงให้เห็นว่าอัตราการชาร์จขึ้นอยู่กับอุณหภูมิในการทำงานเป็นอย่างมาก โดยที่ 110 องศาเซลเซียส (230 องศาฟาเรนไฮต์) แสดงอัตราที่เร็วกว่า 25 C (77 F) ถึง 25 เท่า

น่าแปลกที่เกลือหลอมเหลวที่ทีมวิจัยเลือกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์เพียงเพราะจุดหลอมเหลวต่ำกลับกลายเป็นข้อได้เปรียบโดยบังเอิญ ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดประการหนึ่งในความน่าเชื่อถือของแบตเตอรี่คือการก่อตัวของเดนไดรต์ ซึ่งเป็นโลหะแหลมที่แคบซึ่งสร้างขึ้นบนอิเล็กโทรดหนึ่งและในที่สุดก็จะงอกข้ามไปสัมผัสกับอิเล็กโทรดอีกขั้วหนึ่ง ทำให้เกิดการลัดวงจรและประสิทธิภาพในการขัดขวาง แต่เกลือชนิดพิเศษนี้เกิดขึ้นได้ดีมากในการป้องกันความผิดปกตินั้น

เกลือคลอโร-อะลูมิเนตที่พวกเขาเลือก “กำจัดเดนไดรต์ที่หลบหนีออกไปได้ ในขณะที่ยังช่วยให้ชาร์จได้อย่างรวดเร็วมาก” Sadoway กล่าว “เราทำการทดลองด้วยอัตราการชาร์จที่สูงมาก โดยชาร์จในเวลาน้อยกว่าหนึ่งนาที และเราไม่เคยสูญเสียเซลล์เนื่องจากการลัดวงจรของเดนไดรต์”

“เป็นเรื่องตลก” เขากล่าว เพราะเน้นไปที่การหาเกลือที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่สุด แต่สุดท้ายคลอโรอะลูมิเนตที่เติมสารละลายกลับกลายเป็นว่าทนทานต่อปัญหาการลัดวงจร “ถ้าเราเริ่มต้นด้วยการพยายามป้องกันไม่ให้เดนไดรต์ชอร์ต ฉันก็ไม่แน่ใจว่าจะรู้จักวิธีรับมืออย่างไร” ซาโดเวย์กล่าว “ฉันคิดว่ามันเป็นความบังเอิญสำหรับเรา”

ยิ่งไปกว่านั้น แบตเตอรี่ไม่ต้องการแหล่งความร้อนภายนอกเพื่อรักษาอุณหภูมิในการทำงาน ความร้อนเกิดจากไฟฟ้าเคมีโดยการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ “เมื่อคุณชาร์จ คุณจะสร้างความร้อน และนั่นทำให้เกลือไม่แข็งตัว จากนั้นเมื่อคุณคายประจุ มันจะสร้างความร้อนด้วย” Sadoway กล่าว ในการติดตั้งทั่วไปที่ใช้สำหรับการปรับระดับโหลดที่โรงงานผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ตัวอย่างเช่น “คุณจะเก็บไฟฟ้าไว้เมื่อดวงอาทิตย์ส่องแสง และจากนั้นคุณจะดึงไฟฟ้าออกมาในความมืด และคุณจะทำสิ่งนี้ทุกวัน และการชาร์จที่ไม่ได้ใช้งานและไม่ได้ใช้งานก็เพียงพอที่จะสร้างความร้อนเพียงพอเพื่อให้สิ่งนั้นอยู่ในอุณหภูมิ”

เขากล่าวว่าสูตรแบตเตอรี่ใหม่นี้เหมาะสำหรับการติดตั้งขนาดเท่าที่จำเป็นในการจ่ายไฟให้กับบ้านเดี่ยวหรือธุรกิจขนาดเล็กถึงขนาดกลาง โดยผลิตตามคำสั่งของความจุในการจัดเก็บไม่กี่สิบกิโลวัตต์-ชั่วโมง

สำหรับการติดตั้งที่ใหญ่ขึ้น จนถึงขนาดยูทิลิตี้ตั้งแต่สิบถึงหลายร้อยเมกะวัตต์ชั่วโมง เทคโนโลยีอื่นๆ อาจมีประสิทธิภาพมากกว่า รวมถึงแบตเตอรี่โลหะเหลว Sadoway และนักเรียนของเขาที่พัฒนาขึ้นเมื่อหลายปีก่อน และเป็นพื้นฐานสำหรับบริษัทผลิตชิ้นส่วนที่ชื่อ Ambri ซึ่งหวังว่า เพื่อส่งมอบผลิตภัณฑ์ชุดแรกภายในปีหน้า สำหรับการประดิษฐ์นั้น Sadoway ได้รับรางวัลนักประดิษฐ์แห่งยุโรปในปีนี้

ขนาดที่เล็กกว่าของแบตเตอรี่อะลูมิเนียม-กำมะถันยังทำให้ใช้งานได้จริง เช่น สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า Sadoway กล่าว เขาชี้ให้เห็นว่าเมื่อยานพาหนะไฟฟ้ากลายเป็นเรื่องธรรมดาเพียงพอบนท้องถนนที่รถยนต์หลายคันต้องการชาร์จพร้อมกัน ดังที่เกิดขึ้นในปัจจุบันกับปั๊มน้ำมันเบนซิน “ถ้าคุณพยายามทำเช่นนั้นด้วยแบตเตอรี่และคุณต้องการชาร์จอย่างรวดเร็ว ค่าแอมแปร์ก็แค่ สูงมากจนเราไม่มีจำนวนแอมแปร์ในสายที่ป้อนสิ่งอำนวยความสะดวก” ดังนั้นการมีระบบแบตเตอรี่เช่นนี้เพื่อเก็บพลังงานแล้วปล่อยอย่างรวดเร็วเมื่อจำเป็น จะช่วยลดความจำเป็นในการติดตั้งสายไฟใหม่ที่มีราคาแพงเพื่อให้บริการที่ชาร์จเหล่านี้

เทคโนโลยีใหม่นี้เป็นพื้นฐานสำหรับบริษัทผลิตชิ้นส่วนใหม่ที่ชื่อ Avanti ซึ่งได้รับอนุญาตให้ใช้สิทธิบัตรกับระบบ ซึ่งร่วมก่อตั้งโดย Sadoway และ Luis Ortiz ’96 ScD ’00 ซึ่งเป็นผู้ร่วมก่อตั้งของ Ambri ด้วย “ลำดับแรกของธุรกิจสำหรับบริษัทคือการแสดงให้เห็นว่ามันใช้งานได้จริง” Sadoway กล่าว จากนั้นจึงนำไปทดสอบความเครียดหลายชุด ซึ่งรวมถึงการชาร์จผ่านรอบการชาร์จหลายร้อยรอบ

แบตเตอรี่ที่ใช้กำมะถันจะเสี่ยงต่อการทำให้เกิดกลิ่นเหม็นที่เกี่ยวข้องกับกำมะถันบางรูปแบบหรือไม่? ไม่มีโอกาส Sadoway กล่าว “กลิ่นไข่เน่าอยู่ในแก๊สไฮโดรเจนซัลไฟด์ นี่คือธาตุกำมะถัน และมันจะถูกปิดไว้ภายในเซลล์” หากคุณพยายามเปิดเซลล์ลิเธียมไอออนในห้องครัวของคุณ เขาพูด (และโปรดอย่าลองทำที่บ้าน!) ว่า “ความชื้นในอากาศจะตอบสนองและคุณจะเริ่มสร้างความขุ่นเคืองได้ทุกประเภท ก๊าซเช่นกัน นี่เป็นคำถามที่ถูกต้อง แต่แบตเตอรี่ถูกปิดผนึก มันไม่ใช่ภาชนะเปิด ดังนั้นฉันจะไม่กังวลเรื่องนั้น”

ทีมวิจัยประกอบด้วยสมาชิกจากมหาวิทยาลัยปักกิ่ง มหาวิทยาลัยยูนนาน และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีหวู่ฮั่นในประเทศจีน มหาวิทยาลัย Louisville ในรัฐเคนตักกี้; มหาวิทยาลัยวอเตอร์ลูในแคนาดา; ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Oak Ridge ในรัฐเทนเนสซี; และเอ็มไอที งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดย MIT Energy Initiative, MIT Deshpande Center for Technological Innovation และ ENN Group

หน้าแรก