นักวิจัยจาก MIT แสดงข้อมูลเชิงลึกการแตกของโลหะที่เกิดผลร้ายต่อประสิทธิภาพแบตเตอรี่ เปิดทางสู่การแก้ปัญหาการพัฒนาแบตเตอรี่แบบ Solid State ที่มีความเข้มข้นพลังงานสูงที่นิยมใช้ในเทคโนโ,ยีสมัยใหม่ เช่น ยานยนต์ไฟฟ้า (EV) โดย Dendrite เป็นประเด็นที่ทีมวิจัยให้ความสำคัญการแก้ปัญหา
แบตเตอรี่ที่ใช้ Solid State อย่าง Lithium Ion ในการประจุอิเล็กโทรไลต์เปิดทางสู่อนาคตที่ปลอดภัยและมีความเข้มข้นของพลังงานมากยิ่งขึ้น แต่ปัญหาสำคัญ คือ แบตเตอรี่ Solid State เหล่านี้มักจะเจอกับการเปลี่ยนสภาพของการแตกโลหะที่เรียกว่า Dendrite ที่ส่งผลให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจร
ทีมนักวิจัยจาก MIT ได้พยายามแก้ปัญหาด้านวิศวกรรม อย่างความเค้นเชิงกลที่เกิดขึ้น เช่น รอยแตกจากทางเดินเมื่อรากไม้โตขึ้นมาจากด้านล่าง ซึ่งสิ่งที่ค้นพบกลายเป็นตรงกันข้ามกับที่หลายคนเคยคิดไว้ โดย Dendrite จะเกิดขึ้นเร็วเกี่ยวข้องกับควาามเค้นในระดับต่ำในแบตเตอรี่ที่ใช้วัสดุอิเล็กโทรไลต์ทั่วไป หากใช้เทคนิคใหม่ที่พัฒนาขึ้นมาจะสามารถตรวจวัดความเค้นที่เกิดขึ้นรอบ Dendrite ได้โดยตรง ซึ่งนักวิจัยพบว่ารอยแตกเกิดขึ้นเมื่อระดับดับของความเค้นอยู่ที่ 25% ของสิ่งที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในความเค้นเชิงกลเพียงอย่างเดียวเท่านั้น
ในตอแรกนั้นผู้คนอาจะคิดกันว่าปฏิกริยาทางเคมีที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าแรงสูงทำให้อิเล็กโทรไลต์อ่อนแรงลง และทำให้ Dendrite โตได้ง่าย แต่ในงานวิจัยใหม่นี้แสดงให้เห็นข้อมูลของการทดสอบแรกที่มีการเปรียบเทียบข้อมูลความเค้นที่เกิดขึ้นระหว่างเคมีและเชิงกลที่ส่งผลต่อการเกิดขึ้นของ Dendrite ยกตัวอย่างการทดสอบอิเล็กโทรไลต์แบบเซรามิกที่ปรกติแล้วจะแข็งเหมือนฟัน แต่ในระหว่างการประจุพลังงานจะอ่อนแอลงและเปราะบางพอๆ กับลูกอมเลยทีเดียว
ในการศึกษาครั้งนี้เปิดเผยให้เห็นว่าทำไมการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่แข็งแรงเพยงอย่างเดียวไม่ได้แก้ปัญหา Dendrite ที่มีมาอยางยาวนาน แต่ต้องการการพัฒนาวัตถุดิบสารเคมีที่เสถียรเพื่อตอบสนองต่อการใช้งานของแบตเตอรี่ Solid State ที่มีความหนาแน่นสูงอีกด้วย
Birefringence Microscopy ตรวจสอบความเค้นที่เกิดขึ้นจาก Dendrite
รูู้กันหรือไม่ครับว่า Dendrite นั้นเป็นสาเหตุสำคัญที่ทำให้การพัฒนาแบบตเตอรี่มักเจอทางตันมาตั้งแต่ช่วงปี 1970 หนึ่งในเหตุผลที่เกิดขึ้น คือ แบตเตอรี่แบบ Lithium Ion นั้นแพร่หลายอย่างรวดเร็วในขณะที่แบตเตอรี่แบบอื่นๆ ที่มักใช้กราไฟต์เอโนดจะเจอการเกิด Dendrite ที่น้อยกว่า ซึ่งในทางทฤษฎีแล้วอิเล็กโทรไลต์ที่มีสถานะเป็นของแข็งสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าในขนาดที่เท่ากันและยังมีน้ำหนักน้อยกว่าอีกด้วย
ด้วยการที่ L:ithium เป็นโลหะอ่อน ทำให้เกิดความสงสัยว่าวัสดุเนื้ออ่อนสามารถแทรกซึมเข้าไปในวัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่มีความแข็งได้อย่างไร ซึ่งมีการตั้งสมมุติฐานว่าเซรามิกที่ใช้ในแอปพลิเคชันเหล่านี้มีความแข็งแรงทนทานเหมือนแก้วกาแฟร้อน และคาดการณ์ว่าจะหยุดการเกิดขึ้นของ Dendrite ในแบตเตอรี่ Solid State ได้
ในการวิจัยนั้นแบตเตอรี่ Solid State จะถูกวางไว้เหมือนแซนวิช ทำให้ยากต่อการสังเกตชั้นอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ตรงกลาง ในการทดลองแรกนักวิจัยได้พัฒนาแบตเตอรี่ Solid State แบบพิเศษขึ้นมาซึ่งเลเยอร์เซรามิกสามารถถูกสังเกตได้จากด้านข้างเพื่อจับตาดูการขยายตัวของ Dendrite ในอิเล็กโทรไลต์ได้ด้วย Birefringence Microscopy เพื่อวัดความเครีดที่เกิดขึ้นรอบๆ Dendrite ได้อย่างแม่นยำ
อุปกรณ์ดังกล่าวทำงานเหมือนกับแว่นกันแดดที่มีการ Polarized เมื่อแสงผ่าน ความเค้นตกค้าง (Residual Stress) ในแว่นทำให้แสงบางช่วงผ่านได้เร็วกว่าช่วงอื่น ทำให้เกิดเป็นแพทเทิร์นสีรุ้งที่สามารถสังเกตได้ และรูปแบบนี้แหละที่ใช้วัดความเค้นที่เกิดขึ้นในวัสดุ
โดยทั่วไปแล้วเรามักจะคาดหวังว่าเมื่อ Dendrite ขยายตัวขึ้นจะสร้างความเค้นเพิ่ม แต่สิ่งที่นักวิจัยพบกลับต่างออกไปในทางตรงกันข้าม ยิ่งขยายตัวเร็วความเค้นรอบๆ ยิ่งน้อยลง นั่นหมายความว่าอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งจะเกิดการแยกออกภายใต้ความเค้นต่ำและถูกทำให้เปราะบางก่อนหน้านั้น
กระแสไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนกระแส Lithium Ion ผ่านอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งทำให้เกิดการไหลที่มีความเข้มข้นของ Lithium Ion สูงที่ปลายของ Dendrite ซึ่งนักวิจัยเชื่อว่าสิ่งนี้นำไปสู่การลดของเคมีในส่วนผสมของวัตถุดิบ ทำให้เกิดกระบวนการสลายตัวในช่วงใหม่
การค้เนพบในครั้งนี้เป็นการทำลายกำแพงที่ขวางกั้นการพัฒนาแบตเตอรี่แบบ Solid State ที่มี Lithium Ion เป็นวัตถุดิบหลัก เปิดทางสู่การพัฒนาแบตเตอรี่สำหรับเทคโนโลยีทันสมัยที่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ไม่ว่าจะเป็นยานยนต์ไฟฟ้า (EV) หรือ BESS ซึ่งเรียกได้ว่าเป็นประเด็นสำคัญอย่างยิ่งในห้วงเวลาที่น้ำมันกำลังขาดแคลนจากสงครามในยุคปัจจุบัน
ที่มา:
Mit.edu
