นักวิจัยจาก Texas A&M University ได้ค้นพบความแตกต่าง 1,000% ในความจุของอิเล็กโทรดแบตเตอรี่แบบน้ำที่ปราศจากโลหะ
แบตเตอรี่เหล่านี้แตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีโคบอลต์ เป้าหมายของกลุ่มในการวิจัยแบตเตอรี่ที่ปราศจากโลหะเกิดจากการควบคุมห่วงโซ่อุปทานภายในประเทศที่ดีขึ้น เนื่องจากมีการจ้างโคบอลต์และลิเธียมจากภายนอก เคมีที่ปลอดภัยกว่านี้จะป้องกันไฟไหม้แบตเตอรี่ด้วย
ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมี Dr. Jodie Lutkenhaus และผู้ช่วยศาสตราจารย์ ด้านเคมี Dr. Daniel Tabor ได้เผยแพร่ผลการวิจัยของพวกเขาเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมที่ปราศจากลิเธียมใน Nature Materials
“จะไม่มีไฟจากแบตเตอรี่อีกต่อไป เพราะมันเป็นน้ำ” ลัทเคนเฮาส์กล่าว “ในอนาคต หากคาดการณ์ว่าจะมีการขาดแคลนวัสดุ ราคาของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะสูงขึ้นไปอีก ถ้าเรามีแบตเตอรี่ทางเลือกนี้ เราสามารถหันไปใช้เคมีนี้ได้ ซึ่งแหล่งจ่ายมีความเสถียรมากกว่าเพราะเราสามารถผลิตได้ที่นี่ในสหรัฐอเมริกา และวัสดุที่ใช้ในการผลิตก็อยู่ที่นี่”
Lutkenhaus กล่าวว่าแบตเตอรี่ที่เป็นน้ำประกอบด้วยแคโทด อิเล็กโทรไลต์ และแอโนด แคโทดและแอโนดเป็นโพลิเมอร์ที่สามารถกักเก็บพลังงานได้ และอิเล็กโทรไลต์คือน้ำผสมกับเกลืออินทรีย์ อิเล็กโทรไลต์เป็นกุญแจสำคัญในการนำไอออนและการเก็บพลังงานผ่านปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กโทรด
“หากอิเล็กโทรดบวมมากเกินไประหว่างการปั่นจักรยาน แสดงว่าไม่สามารถนำอิเล็กตรอนได้ดีนัก และคุณจะสูญเสียประสิทธิภาพทั้งหมด” เธอกล่าว “ฉันเชื่อว่ามีความแตกต่าง 1,000% ในความจุของการเก็บพลังงาน ขึ้นอยู่กับการเลือกอิเล็กโทรไลต์เนื่องจากผลกระทบของการบวม”
อ้างอิงจากบทความของพวกเขา รีดอกซ์แอคทีฟและไม่คอนจูเกต เรดิคัลโพลิเมอร์ (อิเล็กโทรด) เป็นตัวเลือกที่มีแนวโน้มว่าจะเป็นแบตเตอรี่น้ำที่ปราศจากโลหะ เนื่องจากโพลิเมอร์มีแรงดันดิสชาร์จสูงและรีดอกซ์จลนพลศาสตร์ที่รวดเร็ว ปฏิกิริยานี้ซับซ้อนและแก้ไขได้ยากเนื่องจากมีการถ่ายโอนอิเล็กตรอน ไอออน และโมเลกุลของน้ำไปพร้อม ๆ กัน
“เราแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของปฏิกิริยารีดอกซ์โดยการตรวจสอบอิเล็กโทรไลต์ในน้ำที่มีลักษณะเฉา-/คอสโมโทรปิกที่แตกต่างกัน โดยใช้เครื่องชั่งผลึกควอทซ์เคมีไฟฟ้าที่มีการตรวจสอบการกระจายในช่วงเวลาต่างๆ” นักวิจัยในบทความกล่าว
กลุ่มวิจัยของ Tabor เสริมความพยายามในการทดลองด้วยการจำลองและการวิเคราะห์ทางคอมพิวเตอร์ การจำลองให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับภาพระดับโมเลกุลระดับจุลภาคของโครงสร้างและการเปลี่ยนแปลง
“ทฤษฎีและการทดลองมักทำงานร่วมกันอย่างใกล้ชิดเพื่อทำความเข้าใจเนื้อหาเหล่านี้ สิ่งใหม่อย่างหนึ่งที่เราทำในเชิงคำนวณในบทความนี้คือเราชาร์จอิเล็กโทรดให้มีสถานะหลายสถานะและดูว่าสภาพแวดล้อมตอบสนองต่อการชาร์จนี้อย่างไร” Tabor กล่าว
นักวิจัยสังเกตด้วยตาเปล่าด้วยตาเปล่าว่าแคโทดของแบตเตอรี่ทำงานได้ดีขึ้นเมื่อมีเกลือบางชนิดหรือไม่ โดยวัดปริมาณน้ำและเกลือที่ไหลเข้าสู่แบตเตอรี่ขณะที่มันทำงาน
“เราทำเพื่ออธิบายสิ่งที่ได้รับการสังเกตจากการทดลอง” เขากล่าว “ตอนนี้ เราต้องการขยายการจำลองของเราไปยังระบบในอนาคต เราจำเป็นต้องให้ทฤษฎีของเราได้รับการยืนยันว่าอะไรคือแรงที่ผลักดันการฉีดน้ำและตัวทำละลายแบบนั้น
“ด้วยเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานใหม่นี้ เป็นการผลักดันให้เกิดแบตเตอรี่ที่ปราศจากลิเธียม เรามีภาพระดับโมเลกุลที่ดีกว่าว่าอะไรทำให้อิเล็กโทรดของแบตเตอรี่บางตัวทำงานได้ดีกว่าแบบอื่นๆ และสิ่งนี้ทำให้เรามีหลักฐานชัดเจนว่าควรดำเนินการต่อไปในด้านการออกแบบวัสดุ” Tabor กล่าว
โครงการนี้ได้รับทุนจากกระทรวงพลังงานสหรัฐและมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติผ่านสถานีทดลองวิศวกรรม Texas A&M
