แบตเตอรี่โซลิดสเตต ตัวเปลี่ยนเกมวงการเทคโนโลยี

การวิจัยแบตเตอรี่โซลิดสเตตยังคงเป็นประเด็นที่ได้รับความสนใจอย่างมากในอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง เนื่องจากเทคโนโลยีส่วนใหญ่ในปัจจุบันประสบปัญหาคอขวดในเรื่องของประสิทธิภาพ เทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้งานกันอยู่ในปัจจุบันแทบจะไม่ก้าวหน้าในรอบหลายทศวรรษ แบตเตอรี่ที่ดีที่สุดในปี 2024 ของคุณแทบไม่แตกต่างไปจากที่เคยเป็นในยุค 90 ไม่ว่าจะเป็นที่ใช้อยู่ในรถยนต์ไฟฟ้า หุ่นยนต์อัตโนมัติ การบิน การสำรวจอวกาศ ความยั่งยืน โซลูชันพลังงานทดแทน หรือเพียงแค่สมาร์ทโฟน แล็ปท็อปพื้นฐาน ส่งผลให้อุปกรณ์ที่ต้องพึ่งพลังงานจากแบตเตอรี่ยังไม่สามารถพัฒนาแบบก้าวกระโดดดได้ จากข้อจำกัดด้านพลังงาน

แบตเตอรี่โซลิดสเตต หรือแอโนดโลหะลิเธียม มีข้อได้เปรียบมากมายเหนือแบตเตอรี่ในปัจจุบัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของการชาร์จใหม่ ความจุ และอายุการใช้งานที่ยืนยาว หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดในการออกแบบแบตเตอรี่คือการก่อตัวของตะกรัน หรือเดนไดรต์ บนพื้นผิวของขั้วบวกที่เติบโตเหมือนรากของต้นไม้เข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ และเจาะทะลุสิ่งกีดขวางที่แยกขั้วบวกและแคโทด ส่งผลให้แบตเตอรี่ลัดวงจรหรือติดไฟและเกิดระเบิดได้ ทำให้อาจไม่ปลอดภัยในการใช้งาน

แต่งานวิจัยใหม่ที่ทำขึ้นโดย Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ในสหรัฐอเมริกาอาจช่วยแก้ปัญหาขั้วบวกของโลหะลิเธียมได้อย่างน้อยบางส่วนที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทั่วไป

"แบตเตอรี่ลิเธียมแอโนดโลหะถือเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์ของวงการแบตเตอรี่" Xin Li รองศาสตราจารย์ของ SEAS กล่าว "เนื่องจากมีความจุมากกว่าแอโนดกราไฟท์เชิงพาณิชย์ถึง 10 เท่า และสามารถเพิ่มระยะการขับขี่ของยานพาหนะไฟฟ้าได้อย่างมาก งานวิจัยของเราคือ ก้าวสำคัญสู่แบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ใช้งานได้จริงมากขึ้นสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์"

 ทีมวิจัย ได้ใส่อนุภาคซิลิคอนขนาดไมครอนไว้ในขั้วบวกของแบตเตอรี่ ซึ่ง Li และทีมงานที่ SEAS ค้นพบว่ามันช่วยลดผลกระทบที่เรียกว่า "การชุบ" ซึ่งเป็นสิ่งที่ก่อให้เกิดลักษณะที่ไม่เสถียรของแบตเตอรี่ขั้วบวกโลหะลิเธียม เมื่อลิเธียมไอออนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนดระหว่างการชาร์จ ปฏิกิริยาลิไทเอชันจะถูกบีบรัดที่พื้นผิวระดับตื้น ทำให้ไอออนจะเกาะติดแค่พื้นผิวของอนุภาคซิลิคอนแต่จะไม่ทะลุผ่านเข้าไป  สิ่งนี้แตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากคุณสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเหลว ซึ่งไอออนลิเธียมจะทะลุและทำลายอนุภาคซิลิคอนในขั้วบวก

ในแบตเตอรี่โซลิดสเตต ไอออนบนพื้นผิวของซิลิคอนจะถูกบีบรัดและผ่านกระบวนการลิไทเอชั่นแบบไดนามิกเพื่อสร้างการชุบโลหะลิเธียมรอบๆ แกนของซิลิคอน อนุภาคที่เคลือบเหล่านี้จะสร้างพื้นผิวที่เป็นเนื้อเดียวกัน โดยมีการกระจายความหนาแน่นของกระแสอย่างเท่าๆ กัน เพื่อป้องกันการเพิ่มขึ้นของตะกรัน เนื่องจากการชุบและการลอกสามารถเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วบนพื้นผิวที่เรียบ แบตเตอรี่จึงสามารถชาร์จใหม่ได้ภายในเวลาประมาณ 10 นาทีเท่านั้น  และจากการทดลองพบว่าต้นแบบแบตเตอรี่โซลิดสเตตขนาดเท่าแสตมป์สามารถรักษาความจุได้ 80 เปอร์เซ็นต์หลังจากใช้งานมากกว่า 6,000 รอบ

Li และทีมงานของเขาได้ตีพิมพ์งานวิจัยของพวกเขาใน Nature เมื่อสัปดาห์ที่ผ่านมา แม้ว่าอาจจำเป็นต้องมีการสำรวจปฏิสัมพันธ์ระหว่างลิเธียมกับสารละลายซิลิกอนแบบใหม่ก่อนที่จะดำเนินการเชิงพาณิชย์อย่างเต็มรูปแบบในอนาคต แต่ถือเป็นความก้าวหน้าที่น่าสนใจ