Sunday, 7 March 2021

เทคโนโลยีและนวัตกรรมแบตเตอรี่ล่าสุด ตามปริมาณแร่ธาตุที่มีในโลก

การจัดเก็บพลังงานไว้ใช้งานเป็นสิ่งจำเป็น ปัจจุบันเราสามารถผลิตพลังงานและแปลงรูปแบบพลังงานได้หลายวิธี แต่เราแทบจะเก็บพลังงานไว้ใช้ภายหลังได้น้อยมาก การจัดเก็บพลังงานมีหลายวิธี เช่น การจัดเก็บทางเครื่องกล การจัดเก็บไฟฟ้าพลังน้ำ การจัดเก็บพลังงานอากาศแบบอัด การจัดเก็บพลังงานแบบล้อตุนกำลัง เป็นต้น

แต่การจัดเก็บในรูปแบบที่เราจะกล่าวถึงในที่นี้คือการจัดเก็บพลังงานในรูปแบบเคมีไฟฟ้า หรือแบตเตอร์รี่นั่นเอง

แบตเตอรี่ประกอบไปด้วยขั้วแอโนด ขั้วแคโทด สารอิเล็กโตรไลต์ seperator และ current collector

การเลือกวัสดุ

ขั้นตอนแรกในการผลิตแบตเตอรี่คือการเลือกวัสดุเพื่อผลิตแบตเตอร์รี่ แบตเตอรี่ที่ดีควรมีสมบัติ มีมากมายในโลก ราคาถูก เก็บพลังงานได้มาก และสามารถนำกลับมาผลิตใหม่ได้ เป็นต้น

ในเปลือกโลกมีแร่ธาตุสิบอันดับแรกเป็น

อันดับชื่อธาตุสัญลักษณ์เลขอะตอมปริมาณ PPM
1oxygenO8 460,000
2siliconSi14 270,000
3aluminiumAl13 82,000
4ironFe26 63,000
5calciumCa20 50,000
6sodiumNa11 23,000
7magnesiumMg12 29,000
8potassiumK19 15,000
9titaniumTi22 6,600
10hydrogenH1 1,500

Oxygen

Oxygen สามารถใช้ทำแบตเตอร์รี่แบบปฐมภูมิในรูป Metal-air ได้ ปฏิกิริยาย้อนกลับของ Oxygen เพื่อใช้เป็นแบตเตอร์รี่ทุติยภูมิยังต้องการการศีกษาเพิ่ม

Silicon

Silicon มีการนำไปใช้เป็นขั้ว Anode สำหรับแบตเตอรี่พลังงานสูงขนิด Li-ion บ้าง แม้รอบการใช้งานยังมีจำกัด ส่วน Silicon-air battery ซึ่งมีความหนาแน่นพลังงานในระดับ Aluminium-air battery ไม่แน่ชัดว่าเป็นแบตเตอรี่ปฐมภูมิหรือทุติยถูมิ

Aluminium

แบตเตอรี่ปฐมภูมิของ aluminium ได้ผลิตภัญฑ์เป็น Al2O3 ซึ่งสามารถนำกลับมาในรูปของโลหะ Aluminium ได้ แต่อาศัยพลังงานสูงถึง 13kwh/kg ในขณะที่แบตเตอรี่ Aluminium-air ให้พลังงานเพียง 8.14kwh/kg

ส่วนปฏิกิริยาย้อนกลับของ AlCl3 เป็นที่รู้จักดี มีรายงานการทำแบตเตอรี่ทุติยภูมิของ Aluminium ion มากมาย รอบการใช้งานสูงถึง 5,000-250,000 รอบ แต่ความหนาแน่นพลังงานยังอยู่ในช่วง 40wh/kg นอกจากนี้ AlCl3 เป็นกรดและกัดกร่อนส่วนประกอบแบตเตอรี่จีงต้องมีการปรับปรุงต่อไป มีความเป็นไปได้ที่จะใช้ Electrolyte จำพวก Al(Tfo3) แทน AlCl3 เนื่องจากมีรายงานความสำเร็จในการทำ Electrodeposit/stripping ใน electrolyte ดังกล่าว

Iron

Iron สามารถใช้ทำแบตเตอรี่ปฐมภูมิแบบ Iron-air battery ได้ ซึ่งจะเกิด Fe3O4 เป็นผลิตภัณฑ์ เราสามารถนำ Fe3O4 ที่ได้ไปผ่านกระบวนการ Methane Plasma Reduction เพื่อให้ได้ Iron กลับคืนมา กระบวนการดังกล่าวอาจทำให้เกิด CO2 แต่หากเราใช้ Biomass ผลิต Methane เราสามารถทำให้เกิดวงจร Carbon Neutral ได้

ในแบตเตอรี่แบบทุติยภูมิ มีรายงานการใช้ Eutectic ของ iron ในการทำแบตเตอรี่แบบทุติยภูมิ แบตเตอรี่มีความเสถึยรและรอบใช้งานน่าพอใจ แต่การทดสอบยังอาจจำเป็นต้องทดสอบมากกว่านี้ ความหนาแน่นพลังงานของแบตเตอรี่ดังกล่าวอยูที่ 166.2 Wh L−1

Calcium

แบตเตอรี่แบบปฐมภูมิของ Calcium คือ Calcium-air battery ไม่ได้รับความสนใจมากนักแต่มีรายงานว่า Oxide ของ calcium สามารถนำมาแปรกลับเป็น calcium ได้

ขณะที่แบตเตอรี่ทุติยภูมิที่อาศัย Calcium เป็นวัสดุยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดเนื่องจากการ Intercalation ของ Calcium ยังไม่เป็นที่รู้จัก มีความพยายามในการใช้ alkyl-carbonate แต่ปฏิกิริยาเกิดที่อุณหภูมิที่ >75 C

Sodium

แบตเตอร์รี่ที่มี Sodium เป็นส่วนประกอบมีการศึกษาเป็นอย่างมากในทศวรรษ 2020 เทคโนโลยีแบ่งเป็นทั้ง Rechargeable Sodium Air, Sodium ion และชนิดอื่นๆ ในที่นี้จะกล่าวถึง Sodium ion ซึ่งน่าจะมีความน่าสนใจมากกว่า การศึกษาส่วนมากมุ่งเน้นที่การหาขั้ว Cathode และ Electrolyte ที่เหมาะสม โดยมีผลงานที่น่าสนใจคือ การใช้วัสดุแบบ Polymer Organic จำพวก Poly(Hexaazatrinaphthylene) เป็นขั้ว Cathode ซึ่งสามารถ Chrage/Discharge ที่ 10A/g โดยมี Capacity ที่ 100mAh/g ที่ 3.5V ในรอบใช้งาน 50,000รอบ

การค้นพบ Electrolyte จำพวก Sodium-difluoro(oxalato)borate (NaDFOB) เป็นส่วนที่น่าสนใจช่วยให้แบตเตอรี่ Sodium ion สามารถมีประสิทธิภาพที่สูงขึ้น

ในส่วนของ Sodium Air สามารถใช่เป็นแบตปฐมภูมิ จะเกิด superoxide ขึ้นสามารถคืนกลับเป็น Sodium ได้ มีรายงานการทำ Rechargeable Sodium Air สำเร็จที่ 150 รอบ

Magnesium

Magnesium มีการนำมาใช้เป็นแบตเตอรี่ปฐมภูมิ โดยเมื่อหมดพลังงานสามารถเปลี่ยนขั้ว Anode และ Electrolyte

แบตแบบ Rechargeable มีการศีกษามากขึ้น มีรายงานการใช้ quinone ที่มีความหนาแน่นพลังงานถึง 243 wh/kg และ retention capacity ที่ 87% ที่ 2,500 รอบ

Potassium

Potassium มีการรายงานการพัฒนาในรูป potassium ion มากมายในทศวรรษ 2010 เป็นต้นมา Potassium ion ถือเป็นอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่น่าสนใจในการทดแทน Lithium ion battery เพราะมีรัศมี Stroke ที่น้อยกว่า

นอกจากนี้ Potassium Air มีค่า Overpotential ที่ต่ำทำให้มีค่า Round trip energy efficiency ที่มากกว่า 95%