นักวิจัยชาวจีนสร้างแบตเตอรี่แบบใช้น้ำที่มีอายุการใช้งานยาวนานและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกลางอยู่ตรงกลาง

การออกแบบนี้เน้นที่อิเล็กโทรไลต์ที่มีค่า pH เป็นกลาง ซึ่งสร้างขึ้นจากเกลือแมกนีเซียมและแคลเซียม นี่เป็นการเปลี่ยนแปลงจากเคมีของแบตเตอรี่แบบใช้น้ำทั่วไป ซึ่งมักใช้สารละลายที่เป็นกรดหรือด่างจัด สารละลายเหล่านั้นจะกัดกร่อนขั้วไฟฟ้าและทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพไปตามเวลา วิธีการที่เป็นกลางนี้ช่วยหลีกเลี่ยงปัญหาทั้งสองอย่าง อิเล็กโทรไลต์มีค่า pH อยู่ที่ 7 ใกล้เคียงกับค่า pH ของน้ำสะอาด

การจับคู่สารอิเล็กโทรไลต์กับวัสดุอิเล็กโทรดที่เหมาะสมเป็นความท้าทายหลัก ทีมวิจัยได้พัฒนาอิเล็กโทรดพอลิเมอร์อินทรีย์แบบพันธะโควาเลนต์ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับไอออนแมกนีเซียมและแคลเซียม พอลิเมอร์นี้ใช้โครงสร้างโมเลกุลที่แข็งแรงคล้ายรังผึ้ง โครงสร้างดังกล่าวช่วยรักษาเสถียรภาพของสารประกอบที่ใช้งานอยู่ ป้องกันการเสื่อมสภาพในปฏิกิริยาเคมีที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย ในการทดสอบ เซลล์ดังกล่าวให้ความจุจำเพาะ 112.8 มิลลิแอมป์ชั่วโมงต่อกรัม

การกล่าวอ้างเรื่องอายุยืนยาวและความหมายของมัน

นักวิจัยอ้างว่า หากใช้งานในอัตราการชาร์จและคายประจุทุกวัน อายุการใช้งานของแบตเตอรี่อาจยาวนานได้ถึงหลายศตวรรษ เว็บไซต์ Live Science รายงานว่าแบตเตอรี่อาจใช้งานได้จนถึงศตวรรษที่ 24 อย่างไรก็ตาม ตัวเลขดังกล่าวต้องพิจารณาบริบทด้วย การทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่ได้หมายความว่าจะตรงกับสภาพการใช้งานจริงเสมอไป การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การเปลี่ยนแปลงของโหลด และความเครียดทางกายภาพในการติดตั้งใช้งานจริง ล้วนเป็นตัวแปรที่การทดสอบในห้องปฏิบัติการไม่สามารถจำลองได้อย่างสมบูรณ์

ตัวเลข 120,000 รอบการชาร์จ/คายประจุ ถือเป็นผลลัพธ์ที่น่าทึ่งมาก แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่จะเสื่อมสภาพอย่างเห็นได้ชัดหลังจากใช้งานเพียง 2,000 ถึง 4,000 รอบ แม้แต่แบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตที่เน้นการใช้งานในระบบไฟฟ้าก็มักจะใช้งานได้เพียง 3,000 ถึง 6,000 รอบก่อนที่จะสูญเสียความจุอย่างมีนัยสำคัญ ช่องว่างระหว่างตัวเลขเหล่านั้นกับ 120,000 นั้นค่อนข้างมาก การตรวจสอบยืนยันผลลัพธ์อย่างอิสระยังไม่ได้รับการเผยแพร่

ประเด็นเรื่องการกำจัดทิ้งก็สมควรได้รับการพิจารณาเช่นกัน ผู้เขียนอธิบายว่าเคมีของอิเล็กโทรไลต์นั้นปลอดภัยเพียงพอสำหรับการกำจัดทิ้งลงสู่สิ่งแวดล้อมโดยตรง ซึ่งเป็นการกล่าวอ้างที่ค่อนข้างหนักแน่น กรอบกฎระเบียบในสหราชอาณาจักร สหรัฐอเมริกา และสหภาพยุโรป กำหนดเกณฑ์ที่เข้มงวดสำหรับการกำจัดแบตเตอรี่ การที่เคมีนี้จะตรงตามเกณฑ์เหล่านั้นในทางปฏิบัติหรือไม่นั้น จำเป็นต้องมีการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมโดยหน่วยงานอิสระ

จุดที่แบตเตอรี่แบบใช้น้ำมีข้อจำกัด

แบตเตอรี่แบบใช้น้ำได้รับความสนใจอย่างต่อเนื่องจากผู้พัฒนาอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้า เนื่องจากไม่ติดไฟ ต้นทุนการผลิตอาจถูกกว่าระบบลิเธียมไอออน และสารละลายอิเล็กโทรไลต์แบบน้ำหาได้ง่ายและใช้งานสะดวก

อย่างไรก็ตาม ข้อเสียก็มีอยู่จริง ความหนาแน่นของพลังงานในระบบที่ใช้น้ำเป็นตัวทำละลายต่ำกว่าในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การกัดกร่อนของอิเล็กโทรดทำให้ลดอายุการใช้งานในหลายๆ แบบ บทความวิจัยที่ตีพิมพ์ในวารสาร Energy Storage Materials ได้บันทึกข้อจำกัดเหล่านี้ไว้อย่างละเอียด ซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ แม้ว่าความต้องการการจัดเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นก็ตาม

การออกแบบใหม่นี้พยายามลดข้อเสียเหล่านั้นลง อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นกลางช่วยแก้ปัญหาการกัดกร่อนโดยตรง ส่วนอิเล็กโทรดโพลีเมอร์ช่วยแก้ปัญหาการเสื่อมสภาพ อย่างไรก็ตาม บทความที่ตีพิมพ์ยังไม่ได้ให้คำตอบว่า การผสมผสานนี้จะสามารถใช้งานได้อย่างมีประสิทธิภาพในระดับใหญ่ ในช่วงอุณหภูมิที่หลากหลาย และในสภาพแวดล้อมของระบบไฟฟ้าจริงหรือไม่

ความต้องการระบบจัดเก็บพลังงานในโครงข่ายไฟฟ้าและบริบทที่กว้างขึ้น

ระบบกักเก็บพลังงานแบตเตอรี่ขนาดใหญ่กลายเป็นสิ่งสำคัญอันดับต้นๆ ในการวางแผนพลังงานสะอาด องค์การพลังงานระหว่างประเทศได้ชี้ให้เห็นซ้ำแล้วซ้ำเล่าว่ากำลังการกักเก็บพลังงานเป็นข้อจำกัดที่สำคัญต่อการบูรณาการพลังงานหมุนเวียน การผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์นั้นไม่สม่ำเสมอ การกักเก็บพลังงานจะช่วยลดความไม่สม่ำเสมอนั้น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นที่นิยมใช้ในปัจจุบัน แต่ความกังวลเกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทาน ต้นทุนวัตถุดิบ และความเสี่ยงจากอัคคีภัย ทำให้ความสนใจในทางเลือกอื่นๆ ยังคงมีอยู่

ระบบกักเก็บพลังงานในน้ำ แบตเตอรี่แบบไหลเวียน และระบบกักเก็บพลังงานด้วยอากาศอัด ต่างก็ได้รับความสนใจด้านการลงทุนและการวิจัย โดยแต่ละระบบมีต้นทุนและประสิทธิภาพที่แตกต่างกัน แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานมากและมีความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อมต่ำ จะช่วยแก้ปัญหาความกังวลทางการค้าที่สำคัญที่สุดสองประการในภาคส่วนนี้ได้

งานวิจัยของทีมงานชาวจีนยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น การตีพิมพ์ในวารสาร Nature Communications แสดงให้เห็นว่าวิธีการดังกล่าวผ่านการตรวจสอบจากผู้เชี่ยวชาญแล้ว แต่ยังไม่ยืนยันว่าพร้อมสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์

สิ่งที่มาต่อไป

การขยายขนาดคือบททดสอบต่อไป เซลล์ในห้องปฏิบัติการและการติดตั้งในระดับโครงข่ายไฟฟ้ามีความแตกต่างกันอย่างมากในด้านความซับซ้อนทางวิศวกรรม ขั้วไฟฟ้าพอลิเมอร์อินทรีย์แบบพันธะโควาเลนต์จะต้องผลิตในปริมาณมาก ต้นทุนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงในระดับการผลิตขนาดใหญ่ยังไม่ทราบจากเอกสารฉบับนี้

นักวิจัยยังไม่ได้ประกาศถึงพันธมิตรทางการค้าหรือโครงการนำร่องใดๆ และไม่มีกำหนดเวลาในการนำไปใช้งานในเอกสารที่เผยแพร่ ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าเชื่อถือพอที่จะติดตามดู แต่ยังเร็วเกินไปที่จะสรุปว่าปัญหาได้รับการแก้ไขแล้ว