จาก “สาหร่ายทะเล” สู่ซูเปอร์แบตเตอรี่ Lithium-sulfur

แบตเตอรี่ Lithium-sulfur หรือ แบตเตอรี่ Li-S ถือเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้ต้นทุนต่ำแต่ให้พลังงานสูงและเป็นแหล่งพลังงานทั้งสำหรับยานพาหนะและวัสดุอุปกรณ์หรือโปรแกรมประยุกต์ต่างๆ อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ดังกล่าวยังคงมีจุดด้อยเรื่องความจุพลังงาน นักวิทยาศาสตร์แห่ง Lawrence Berkeley National Laboratory ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยหลักสังกัดกระทรวงพลังงาน (Department of Energy, DOE) ของสหรัฐอเมริกา หรือเรียกสั้นๆ ว่า Berkeley Lab ได้ค้นพบแนวทางการแก้ปัญหาเพื่อปกปิดจุดด้อยดังกล่าว

ทีมงานวิจัยที่นำโดย Gao Liu มีการค้นพบว่า ‘สาหร่ายแคร์ราจีแนน’ สามารถทำให้แบตเตอรี่ Li-S ให้พลังงานได้อย่างคงที่ นอกจากนี้ยังทำให้แบตเตอรี่ทำงานได้รอบสม่ำเสมอและมีอายุการใช้งานต่อครั้งยาวนานขึ้น โดยการศึกษาดังกล่าวถูกเขียนลงบนวารสาร Nano Energy ในหัวข้อ “กำเนิดซุปเปอร์แบตเตอรี่ Li-S จากปฏิกิริยา *Nucleophilic Substitution ที่เกิดจากการหลอมรวมสารโพลีซัลไฟด์และสารยึดเหนี่ยว”

“มีความต้องการเป็นอย่างมากเกี่ยวกับพื้นที่จัดเก็บหรือความจุแบตเตอรี่ แต่มีสสารเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้นที่จะบรรลุเป้าหมายด้านงบประมาณและต้นทุน” กล่าวโดย Gao Liu ผู้เขียนบทความ “Sulfur หรือกำมะถันถือเป็นธาตุที่มีต้นทุนต่ำมากและหาได้ง่าย ไม่เพียงเท่านี้ยังให้พลังงานมากกว่าลิเธียมไออน (lithium-ion) ดังนั้น lithium-sulfur จึงเป็นสสารหนึ่งที่บรรลุเป้าหมายเรื่องพื้นที่จัดเก็บหรือความจุแบตเตอรี่” แบตเตอรี่ Li-S ที่สามารถชาร์จไฟได้นี้ยังมีข้อจำกัดในเรื่องของการผลิตเพื่อใช้เชิงพาณิชย์ เนื่องจากยังมีสารเคมีบางตัวที่เป็นอันตรายและเมื่อสารเคมีเหล่านี้หมดอายุและเกิดการละลายโพลีซัลไฟด์ก็จะระเหยออกมาแน่นอนที่ทางทีมผู้วิจัยได้พยายามแก้ปัญหาดังกล่าว โดยการทดลองกับสารยึดเหนี่ยวซึ่งเป็นสารที่รักษาสสารทั้งหมดที่บรรจุในแบตเตอรี่เอาไว้

“สารยึดเหนี่ยวเปรียบเสมือนกาว โดยปกติแล้วผู้ที่ออกแบบแบตเตอรี่ทั้งหลายย่อมต้องการกาวที่มีความหนืดสูง” Gao Liu กล่าว “และสารยึดเหนี่ยวที่เราได้ทำการทดลองนั้นสามารถใช้งานได้อย่างดี เราพบว่าสารยึดเหนี่ยวดังกล่าวเกิดปฏิกิริยาตอบสนองอย่างดีกับโพลีซัลไฟด์ โดยทำให้เกิดโครงสร้างพันธะโควาเลนต์ (covalent bonding structure)”
ในขณะที่สสารเกิดปฏิกิริยากับกำมะถัน สารยึดเหนี่ยวจะสามารถหยุดการละลายของสารเคมีในแบตเตอรี่ได้ และเมื่อทีมผู้วิจัยได้ค้นพบทฤษฎีนี้แล้ว พวกเขาจึงพยายามค้นหาวัสดุธรรมชาติอื่นๆ ที่อาจมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน จึงจบลงที่การใช้สาหร่ายแคร์ราจีแนน สาหร่ายชนิดเดียวกันกับสาหร่ายสีแดง เนื่องจากมีส่วนประกอบของอะตอมที่ทำปฏิกิริยาคล้ายคลึงกัน ซึ่งเป็นลักษณะของโพลีเมอร์สังเคราะห์นั่นเอง

การแสดงปฏิกิริยาเมื่อทดลองใช้งานจริง
Gao Liu ได้ทดลองร่วมกับ Jinghua Guo จากหน่วยงานผลิตพลังงานแสงของ Berkeley Lab ซึ่งถือเป็นหน่วยงานหนึ่งของโลกที่ผลิตรังสี UV และรังสีเอกซ์ “ทางแล็บได้ใช้เครื่องมือ X-ray แบบพิเศษ” Jinghua Guo กล่าว “เราต้องการใช้เครื่องมือ X-ray ดังกล่าวตรวจสอบเคมีไฟฟ้าในขณะชาร์จแบตเตอรี่ กรณีนี้ เราใช้เซลล์แบตเตอรี่ที่ทำขึ้นมาโดยเฉพาะ เพื่อให้สามารถใช้กับรังสีเอกซ์ได้ เมื่อทดสอบปฏิกิริยาแบตเตอรี่ขณะใช้งานจริง”
Gao Liu กล่าวเพิ่มเติม “คุณไม่สามารถทำการทดลองเช่นนี้ได้ทั่วไป เนื่องจากกรณีนี้เรามี beamline หรือระบบลำเลียงแสงพิเศษที่ใช้ในการตรวจจับกำมะถัน ซึ่งอุปกรณ์ที่นำมาใช้ในการทดสอบจะต้องมีการออกแบบและพัฒนาขึ้นมาโดยเฉพาะ ซึ่งระบบการทดสอบแบบเดิมนั้นง่ายดายกว่ามาก แต่ทว่าไม่สามารถระบุผลการทดสอบที่ชัดเจนได้ ในขณะที่ระบบการทดสอบใหม่นี้ เราสามารถทราบที่ไปของกำมะถัน สรุปคือ กำมะถันไม่มีการแปลสภาพหรือละลายไปไหนเลย โดยการทดสอบให้ผลเป็นที่น่าพอใจมาก” โรงงาน General Motors หุ้นส่วนงานวิจัยร่วมของหน่วยงานด้านการจัดเก็บและกระจายพลังงานของ Berkeley Lab ได้ยืนยันผลการวิจัยดังกล่าว และ Gao Liu กล่าวว่า “ทาง General Motors ได้เข้าร่วมการทดสอบที่ว่าและเห็นผลเช่นเดียวกับที่เราเห็น ว่าประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นั้นมีความเสถียรดียิ่งขึ้นจริง”