แบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนชนิดใหม่ที่ยืดหยุ่น คงทน และไม่สามารถเผาไหม้ได้

          ดังที่เราทราบกันว่าผลรางวัลโนเบล สาขาเคมี ประจำปี 2562 นี้ ได้มอบให้แด่ผู้คิดค้นและพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออน (Lithium-ion battery) ซึ่งเหตุผลที่ทำให้การพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดนี้ได้รับรางวัล เนื่องจากแบตเตอรี่ชนิดนี้มีความสำคัญกับโลกของเราเป็นอย่างมาก นับตั้งแต่การคิดค้นแบตเตอรี่ชนิดนี้ขึ้นมาและเริ่มนำมาใช้งานตั้งแต่ปี ค.ศ. 1970 ทำให้เทคโนโลยีการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นอย่างมากมาย ดังเช่น โทรศัพท์มือถือ แบตเตอรี่สำรอง แทปเลต และคอมพิวเตอร์โน๊ตบุ๊ค โดยที่มีความรุดหน้าอย่างรวดเร็ว 


          สำหรับโครงสร้างของแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนจะประกอบไปด้วยส่วนสำคัญ 4 ส่วน นั่นคือ ขั้วไฟฟ้า (แคโทดและแอโนด) แผ่นกั้นในแบตเตอรี่ อิเล็กทรอไลต์ และตัวโลหะส่งผ่านกระแส โดยปกติแล้วขั้วแคโทดเป็นส่วนที่สำคัญที่สุด ซึ่งมักจะทำจากวัสดุประเภทลิเทียมออกไซด์ เช่น LiCoO₂, LiFePO₄ และ LiMn₂O₄ เป็นต้น วัสดุที่ใช้ทำขั้วแอโนดมักจะเป็นวัสดุประเภทคาร์บอน อิเล็กทรอไลต์มักจะเป็นสารละลายอินทรีย์คาร์บอเนต เช่น อิทิลคาร์บอเนต ไดเมทิลคาร์บอเนต และโพรพิลีนคาร์บอเนต เป็นต้น ส่วนวัสดุสำหรับทำแผ่นกั้นในแบตเตอรี่ มักจะเป็นฟิล์มบางของพอลิเมอร์ที่มีความแข็งแรง ทนทานต่อความร้อน และไม่เกิดปฏิกิริยาเคมีกับสารละลายอิเล็กทรอไลต์ 

            แบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานที่ยอดเยี่ยม มีขนาดเล็ก และน้ำหนักเบา แบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถกักเก็บประจุไฟฟ้าได้มาก มีความคงที่ในการจ่ายไฟ มีระยะเวลาในการใช้งานที่นาน และทำการชาร์จซ้ำได้ไว ด้วยข้อเด่นหลาย ๆ อย่างดังที่กล่าว จึงทำให้ในปัจจุบันอุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าและต้องการกักเก็บพลังงานเกือบทุกชนิดในโลก ใช้แค่แบตเตอรี่ชนิดนี้เท่านั้น อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนยังมีข้อด้อยเกี่ยวกับอายุการใช้งาน และความเสื่อมสภาพได้ง่ายเมื่ออยู่ในสภาวะไม่เหมาะสม นอกจากนั้นแบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถติดไฟและจุดระเบิดได้ ซึ่งมีความอันตรายต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าและผู้ใช้งาน ปัญหานี้ได้เกิดขึ้นมาแล้วในทางปฏิบัติดังที่เคยมีข่าวออกมาก่อนหน้านี้เกี่ยวกับการที่สายการบินได้มีการสั่งห้ามโทรศัพท์มือถือรุ่นหนึ่งไม่ให้นำมาใช้งานภายในตัวเครื่องขณะทำการบิน ด้วยสาเหตุนี้ นักวิจัยจึงได้มีความพยายามในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนให้มีความสามารถในการป้องกันเหตุเหล่านี้ได้ 


          เมื่อไม่นานมานี้ ทีมนักวิจัยจากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ประยุกต์ของจอห์น ฮอพกินส์ (Johns Hopkins Applied Physics Laboratory) ประเทศสหรัฐอเมริกา ได้ประสบความสำเร็จในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนที่มีความสามารถในการทนการเผาไหม้ มีความแข็งแรง และยืดหยุ่นได้ ^[4] นักวิจัยได้ใช้สารละลายอิเล็กทรอไลต์ที่มีส่วนผสมของเกลือเป็นส่วนประกอบหลัก โดยการเพิ่มความสามารถในการทนทานของอิเล็กทรอไลต์โดยการผสมร่วมกับสารละลายพอลิเมอร์ นักวิจัยได้ใช้แสงอัลตราไวโอเล็ตในการช่วยให้สารละลายพอลิเมอร์เกิดการเซตตัว ในงานวิจัยนี้นักวิจัยได้ประสบความสำเร็จอย่างสูงในการทำให้อิเล็กทรอไลต์มีความเสถียรในการใช้งาน เมื่อทำการสร้างเป็นแบตเตอรี่โดยการต่อร่วมกับขั้วไฟฟ้าที่สร้างจาก Li₄Ti₅O₁₂ ซึ่งจะพบว่าด้วยคุณลักษณะของอิเล็กทรอไลต์ที่ผสมกับพอลิเมอร์ จะทำให้แบตเตอรี่มีลักษณะเหมือนยาง ซึ่งมีความยืดหยุ่นสูง และสามารถตัดได้ นอกจากนั้นแบตเตอรี่ที่ได้พัฒนาขึ้นนี้ มีความสามารถพิเศษในการทนทานต่อการเผาไหม้ ไม่มีการติดไฟ เมื่อได้รับความร้อนสูง โดยทำการเปรียบเทียบกับสารละลายอิเล็กทรอไลต์แบบทั่วไป อย่างไรก็ตามประสิทธิภาพที่ได้ในการกักเก็บประจุไฟฟ้าและจ่ายไฟยังไม่สูงมาก จึงจำเป็นต้องมีการพัฒนาต่อไป


          จึงสรุปได้ว่า งานวิจัยนี้ได้ค้นพบวิธีการในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนให้มีความสามารถในการทนทานต่อความร้อนและยืดหยุ่นได้ เพราะฉะนั้นงานวิจัยนี้จึงเป็นงานวิจัยที่สำคัญที่สามารถนำไปต่อยอดต่อในเชิงปฏิบัติและเชิงพาณิชย์ได้อย่างดี จากตัวอย่างการพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดนี้ เราจะเห็นได้ว่าเทคโนโลยีการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนเป็นสิ่งที่น่าสนใจในปัจจุบัน อย่างไรก็ตามในด้านการใช้งานจริงประสิทธิภาพในการกักเก็บและจ่ายพลังงานอาจไม่สำคัญที่สุด โดยความปลอดภัยในการใช้งานของผู้บริโภคเป็นสิ่งสำคัญที่เราไม่ควรมองข้ามเช่นกัน  

 

อ้างอิง

• [1] Example image obtained from https://scitechdaily.com/breakthrough-flexible-cuttable-lithium-ion-battery-wont-catch-fire-unbreakable-incombustible/ (สืบค้นเมื่อ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2562)
• [2] Example image obtained from https://www.civilsdaily.com/news/nobel-prize-in-chemistry-for-lithium-ion-battery/ (สืบค้นเมื่อ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2562)
• [3] Example image obtained from https://www.getfpv.com/panasonic-18500-2040mah-li-ion-battery.html (สืบค้นเมื่อ 27 ตุลาคม พ.ศ. 2562)
• [4] S. A. Langevin et al.,  UV-curved gel polymer electrolytes with improved stability for advanced aqueous Li-ion batteries, Chemical Communications. (Accepted Manuscript)