งานวิจัย: แนวทางการผลิตแบบ ‘เย็น’ อนาคตใหม่ของแบตเตอรี่สมัยใหม่

นักวิจัยจาก Penn State ได้พัฒนา Solid-state Electrolytes (SSE) ขึ้นมาเพื่อแก้ปัญหาความท้าทายในการผลิตแบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยุคใหม่อย่างยานยนต์ไฟฟ้า, สมาร์ทโฟน และคอมพิวเตอร์พกพา ซึ่งสามารถมั่นใจได้ในการใช้งานจริงมากกว่าแบตเตอรี่แบบลิเทียมซึ่งต้องใช้งาน Electrolyte ทำให้ฟังก์ชันการใช้งานยังมีความไม่แน่นอน และอาจทำไปสู่ปัญหาด้านความปลอดภัยได้อย่างน่ากังวล

แบตเตอรี่แบบ Solid-State ซึ่งใช้ SSE แทนที่ Electrolyte เพื่อเป็นตัวเลือกในการทดแทนแบตเตอรี่ลิเทียมที่นิยมใช้กันอยู่ในปัจจุบัน โดยมีความแตกต่างที่สำคัญ 2 ประการในการทำงานตั้งแต่ระดับโครงสร้างพื้นฐาน โดยแบตเตอรี่ที่ประจุพลังงานได้นั้นประกอบไปด้วย Electrode ภายใน 2 ตัว Anode ที่ด้านหนึ่งและ Cathode ในอีกด้าน ซึ่ง Electrolyte จะทำหน้าที่เป็นสะพานเชื่อมระหว่าง Electrode ทั้งสองตัว ทำให้เกิดการขนส่งที่รวดเร็วสำหรับการเหนี่ยวนำ เมื่อพิจารณาในรายละเอียดลงไปจะพบว่าแบตเตอรี่แบบลิเทียมนั้นใช้ Electrolyte แบบเหลว ในขณะที่ Solid-state ใช้ SSE

แบตเตอรี่แบบ Solid-state นั้นมีการยกระดับความเสถียรและความปลอดภัยเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมที่นิยมใช้งาน แต่ในขณะเดียวกันก็จะต้องเผชิญหน้ากับความท้าทายในการผลิตและคุณสมบัติสำหรับการเหนี่ยวนำอีกหลายประการ เช่น ในกระบวนการผลิตนั้นต้องใช้อุณภูมิสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง SSE ที่มีพื้นฐานมาจากเซรามิกซึ่งสามารถขัดขวางการผลิตและการนำไปใช้จริงได้

Cold Sintering เปิดทางสู่การผสมผสานวัสดุการผลิตแบตเตอรี่สมัยใหม่ เช่น EV

เพื่อแก้ปัญหาดังกล่าวทีมวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกกันว่า Cold Sintering หรือการเผาผนึกแบบเย็น ซึ่งจะทำให้เซรามิกเกิดการบีบอัดจนหนาแน่นที่อุณหภูมิต่ำหากเทียบกับ Hot Sintering ทั้งยังใช้เวลาน้อยกว่าอย่างมากอีกด้วย โดยทีมวิจัยได้ทำให้ผงวัตถุดิบได้รับความร้อน จากนั้นจึงนำตัวทำละลายมาชุบ (Treated) แลทำให้เกิดการบีบอัดเป็นวัตถุที่มีความหนาแน่นยิ่งขึ้น ทั้งนี้เพื่อทำให้ทำงานร่วมกับ SSE ที่มีคุณสมบัติเหียวนำสูงจาก Ceramic-polymer ที่รู้จักกันในชื่อ LATP-PILG

กระบวนการนี้ถูกเรียกว่ากระบวนการ ‘เย็น’ เพราะว่าเป็นกระบวนการทำงานที่มีอุณหภูมิต่ำกว่า Sintering โดยทั่วไปอย่างมาก แทนที่จะต้องพึ่งพิงการเพิ่มแรงดันและใช้จำนวนตัวทละลายที่เป็นของเหลวจำนวนมากในการผลิตแบบดั้งเดิม

วัสดุ SSEs ที่มีพื้นฐานจากเซรามิกนั้นเดิมทีประกอบไปด้วยเม็ดเกรน (Grain) Polycrystalline ซึ่งเป็นวัสดุที่ถูกสร้างขึ้นมาจากคริวตัลขนาดจิ๋วหลายร้อยชิ้นนำมาคัดแยกตามขอบเขตของเม็ดเกรน (Grain Boundary) ซึ่งนักวิจัยได้บอกเล่าว่าขอบเขตเม็ดเกรนเหล่านี้ถูกมองว่าเป็นข้อบกพร่องที่ขัดขวางการขนส่งไอออนสำหรับเหนี่ยวนำ

PILG และ LATP องค์ประกอบสำคัญเพื่อใช้ในกระบวนการ Cold Sintering สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่สมัยใหม่

เพื่อลดความสูญเสียการเหนี่ยวนำใน SSEs ที่มีพื้นฐานจากเซรามิกจึงใช้การ Co-sintering กับ Poly-ionic Liquid Gel (PILG) ด้วยเซรามิก LATP เพื่อสร้างรูปแบบคอมโพสิท SSE ที่เป็น Polymer-in-ceramic ซึ่งเป็นวัตถุดิบในฝันเนื่องจากมีทั้งความเสถียรและมีคุณสมบัติเหนี่ยวนำสูง

PILG ทำหน้าที่เป็น Grain Boundary ที่มีการเหนี่ยวนำสูงใน SSE อำนวยความสะดวกให้การจนย้ายไอออนข้ามขอบเขตที่ถูกออกแบบไว้ (Engineered Boundary) มากกว่าการทำงานแบบเดิมซึ่งมีข้อผิดพลาดได้ง่าย ซึ่งตอนแรกทีมตั้งใจใช้การเผาผนึกอุณหภูมิสูงที่นิยมใช้กันโดยทั่วไปเพื่อพัฒนา SSE รุ่นใหม่ แต่พบว่าคอมโพสิท SSE ที่มี LATP เป็นพื้นฐานนั้น การเผาผนึกสำหรับเซรามิกนั้นต้องมีอุณหภูมิที่สูงมาก ๆ ในระดับที่การเผาผนึกแบบทั่วไปจะถูกเผาสารที่เติมเข้าไปจนไหม้หมดก่อนที่เซรามิกจะอัดแน่นเข้าที่ เช่น สารประกอบโพลีเมอร์ ซึ่งนำไปสู่แนวคิดการเผาผนึกแบบเย็นที่จะควบคุมอุณหภูมิไว้ให้อยู่ในระดับต่ำ

เทคโนโลยีการเผาผนึกแบบเย็นนั้นเดิมทีถูกพัฒนาขึ้นมาในปี 2016 ผ่านงานวิจัยและถูกใช้ในการพัฒนา่าแบตเตอรี่แบบ Solid-state ในปี 2018 ซึ่งการเผาผนึกแบบดั้งเดิมต้องการอุณหภูมิประมาณ 80% ของจุดหลอมเหลวของวัตถุน้ัน ๆ ซึ่งวัสดุที่เป็นสารประกอบอย่าง LATP นั้นต้องการใช้อุณหภูมิ 900 – 1,000 องศาเซลเซียสเป็นมาตรฐาน แต่ในการเผาผนึกเย็นกลับใช้อุณหภูมิเพียง 150 องศาเซลเซียส

การเผาที่อุณหภูมิต่ำเช่นนี้เปิดโอกาสให้สามารถผสมผสานวัสดุหลากหลายชนิดให้กลายเป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นสูงได้ด้วยกระบวนการเผาผนึกแบบเย็น ด้วยการเผาผนึกเซรามิก LATP กับเจล PILG ทำให้นักวิจัยพัฒนาวัสดุ SSE คอมโพสิทที่มีคุณสมบัติเหนี่ยวนำสูงที่อุณหภูมิห้องและมีจุดแข็งอื่น ๆ อีกมากมาย โดยช่วงของแรงดันรองรับได้กว้างตั้งแต่ 0 ไปจนถึง 5.5 โวลต์ เป็นผลจากการที่ SSE นั้นสนับสนุนการใช้งาน Cathode ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง ทำให้แบตเตอรี่สามารถสร้างพลังงานได้มากกว่า

เทคนิคการเผาผนึกแบบเย็นนี้จะเปิดทางไปสู่การยกระดับแบตเตอรี่สมัยใหม่ โดยเชื่อว่าจะเปลี่ยนแปลงการใช้งานวัสดุคอมโพสิทจากเซรามิกในอุตสาหกรรมทั่วไปได้อย่างมาก เช่นเดียวกับอุตสาหกรรมเฉพาะอย่างการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งเป้าหมายต่อไปของทีมวิจัย คือ การพัฒน่ระบบการผลิตที่ยั่งยืนขึ้นซึ่งสนับสนุนการผลิตในสเกลใหญ่สำหรับเทคโนโลยีนี้

ที่มา:
PSU.edu