อนาคตเราอาจใช้ "น้ำ" ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับรถไฟฟ้า

นักวิจัยเผยใช้ "น้ำ" ผลิตแบตเตอรี่แบบแบตฯ ลิเธียมที่เป็นแหล่งพลังงานของสารพัดแกดเจ็ตในปัจจุบันได้ โดยมีราคาถูกกว่า เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า และมีอันตรายน้อยกว่า

ปัจจุบันแบตเตอรี่แบบชาร์จได้อย่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เคลื่อนที่ ทั้งโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และแท็บเลต และยังถูกนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานของรถยนต์ไฮบริดและรถไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น

ไลฟ์ไซน์ระบุว่าการเติบโตของการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไออนนี้ ทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องการผลิตแบตเตอรี่ที่ราคาถูกกว่าและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าในปัจจุบัน

หลี่ เจี้ยนหลิน (Jianlin Li) นักวัสดุศาสตร์จากห้องปฏิบัติการโอคริดจ์แห่งสหรัฐ (Oak Ridge National Laboratory) บอกทางเทคนิวส์เดลีว่า การประยุกต์ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมในรถไฟฟ้ามีอุปสรรคเรื่องราคาที่สูงลิ่ว

หลี่ยกตัวอย่างราคาแบตเตอรี่ไอออนสำหรับนิสสันลีฟ (Nissan Leaf) และเชฟวี่โคลต์ (Chevy Colt) ว่าอยู่ที่ 15,000 บาทต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งแพงเกือบ 5 เท่าของต้นทุนเป้าหมาย (target cost) ที่ตั้งไว้ประมาณ 3,300 บาทต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมในรถไฟฟ้า ซึ่งกำหนดโดยนโยบายกระตุ้นให้เกิดการพัฒนารถไฟฟ้าเพื่อการใช้งานอย่างแพร่หลายของประธานาธิบดีสหรัฐ

สำหรับต้นทุนในการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบันนั้น กว่า 80% ของต้นทุนคือ วัสดุและกระบวนการผลิตวัสดุเหล่านั้น ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ของห้องปฏิบัติการโอคริดจ์ในเทนเนสซีของสหรัฐฯ กำลังตั้งเป้าลดต้นทุนของปัจจัยทั้งสองดังกล่าว

ทั้งนี้ แบตเตอรี่ทั้งหลายนั้นสร้างไฟฟ้าจากการไหลของกระแสระหว่่างอิเล็กโทรด 2 แผ่น คือ แคโทด (cathode) ที่มีประจุเป็นบวก และ แอโนด (anode) ที่มีประจุเป็นลบ ซึ่งในแง่ต้นทุนนั้นแคโทดมีต้นทุนสูงถึง 70% ของต้นทุนแบตเตอรี่ทั้งหมด

วัสดุที่ใช้ผลิตแคโทดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นตัวทำละลายอินทรีย์ที่เรียกว่า เอ็น-เมทิลไพรโรลิโดน (N-methylpyrrolidone) หรือเอ็นเอ็มพี (NMP) เป็นสารที่มีราคาแพง เป็นพิษ และให้ไอระเหยติดไฟได้

ดังนั้น การผลิตแบตเตอรี่ด้วยตัวทำละลายดังกล่าว ต้องการอุปกรณ์ผลิตราคาแพงที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ากันการระเบิด อีกทั้งยังต้องใช้ระบบที่มีต้นทุนสูงในการกู้คืนและรีไซเคิลตัวทำละลาย

อย่างไรก็ดี แทนที่จะใช้ตัวทำละลายเอ็นเอ็มพี นักวิจัยระบุว่าพวกเขานำระบบที่ใช้นำเข้าไปแทนที่ได้ ซึ่งระบบดังกล่าวมีความปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า อีกทั้งยังถูกกว่าตัวทำละลายอินทรีย์อย่างน้อย 150 เท่า

หากแต่การใช้น้ำแทนเอ็นเอ็มเอสก็เป็นเรื่องยาก เพราะสารละลายข้นหรือของเหลวที่จุวัสดุที่เคยใช้ผลิตอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่นั้นแสดงพฤติกรรมได้หลากหลายขึ้นอยู่กับวิธีการใช้น้ำ เช่น สารละลายข้นไม่ค่อยดีต่อการเคลือบแผ่นเก็บกระแส (current collector) หรือวัสดุที่รวบรวมประจุไฟฟ้าจากอิเล็กโทรด ซึ่งหลี่กล่าวว่า ยังต้องอาศัยความรู้ทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่กว้างกว่านี้เพื่อเข้าใจการทำงานได้อย่างถ่องแท้

นักวิทยาศาสตร์ใช้กลเม็ดหลากหลายเพื่อให้การใช้น้ำได้ผลดี เช่น เลี้ยงแผ่นเก็บกระแสด้วยพลาสมาที่ทำให้เกิดไฟฟ้าได้ เพื่อกระตุ้นพื้นผิวในวิธีที่สารละลายข้นจากน้ำทำหน้าที่เคลือบได้ดีขึ้น และการเติมสารอื่นเข้าไปในสารละลายข้นจะช่วยป้องกันไม่ให้อนุภาคในสารละลายจับตัวเป็นก้อน เป็นต้น

นอกจากนี้ หลี่กล่าวอีกว่ามีงานวิจัยอื่นๆ ก่อนหน้านี้ที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ผลิตแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมโดยใช้น้ำได้ แต่จนถึงวันนี้ยังไม่มีใครประสบความสำเร็จในการผลิตแอโนดและแคโทดโดยใช้น้ำ ถึงอย่างนั้นการใช้น้ำแทนตัวทำละลายเอ็นเอ็มเอสจะช่วยลดต้นทุนทั้งหมดของการผลิตแบตเตอรี่ลงได้ 1 ใน 8 และกระบวนการผลิตทั้งหมดยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ซึ่งช่วยให้การผลิตแบตเตอรี่มีความยั่งยืนและจัดหามาได้มากขึ้น

สำหรับรายละเอียดของงานวิจัยเรื่องการใช้น้ำแทนตัวทำละลายในแคโทดนั้น ทีมนักวิทยาศาสตร์ได้รายงานลงวารสารเจอร์นัลออฟคอลลอยด์แอนด์อินเทอร์เฟซไซน์ (Journal of Colloid and Interface Science) และกำลังยื่นจดสิทธิบัตรเทคโนโลยีดังกล่าว