โครงสร้างภายในของแบตเตอรี่: ความจุมาก

เราตั้งตารอยุคใหม่ของการใช้พลังงานสะอาดอย่างแพร่หลาย ในฉากที่เป็นสัญลักษณ์แห่งยุคนั้น เราอาจเห็นรถยนต์ใหม่ๆ เช่น รถยนต์ไฟฟ้าของเทสลาที่ขับไปตามท้องถนน ซึ่งไม่ได้ขับเคลื่อนด้วยน้ำมันเบนซิน แต่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมที่ชาร์จจนเต็ม ปั๊มน้ำมันระหว่างทางจะถูกแทนที่ด้วยสถานีชาร์จ ข่าวล่าสุดคือเมืองเซี่ยงไฮ้ได้ประกาศนโยบายปลอดใบอนุญาตสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าของเทสลา และสนับสนุนการผลิตซูเปอร์ชาร์จเจอร์ที่รวดเร็วขึ้นในจีน

แต่อนาคตที่สดใสอาจถูกบดบังด้วยความจริงที่ว่าแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้านั้นไม่ได้แตกต่างจากแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือมากนัก ผู้ใช้โทรศัพท์มือถือมักกังวลเรื่องอายุการใช้งานแบตเตอรี่ โทรศัพท์ของหลายคนเต็มในตอนเช้า และเมื่อใกล้ถึงบ่าย จำเป็นต้องชาร์จโทรศัพท์วันละครั้ง แล็ปท็อปมีปัญหาเดียวกันและสามารถหมดน้ำได้ในเวลาไม่กี่ชั่วโมง รถยนต์ไฟฟ้าถูกตั้งคำถามเกี่ยวกับประโยชน์ของรถยนต์ไฟฟ้า เนื่องจากไม่ได้เดินทางไกลพอที่จะชนและจำเป็นต้องชาร์จบ่อยๆ ปัจจุบัน Model ของ Tesla เป็นรถยนต์ไฟฟ้าเพียงรุ่นเดียวในตลาดซึ่งถือว่าทำได้สำเร็จ โมเดลนี้สะดุดตาที่สุดด้วยระยะทาง 480 กิโลเมตรต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง

ทำไมแบตเตอรี่ถึงใช้ไม่ได้? ปริมาณพลังงานที่สารสามารถเก็บสะสมไว้ในพื้นที่ที่กำหนดเรียกว่า ความหนาแน่นของพลังงาน ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ต่ำ ในแง่ของพลังงานที่ผลิตได้ต่อกิโลกรัม เราสามารถใช้น้ำมันเบนซินได้มากถึง 50 เมกะจูลต่อวัน ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมมีค่าเฉลี่ยน้อยกว่า 1 เมกะจูล แบตเตอรี่ประเภทอื่นยังเดินเตร่ในระดับที่ต่ำมาก เห็นได้ชัดว่าเราไม่สามารถทำให้แบตเตอรี่ไม่มีที่สิ้นสุด เพื่อเพิ่มความจุของแบตเตอรี่ เราสามารถมุ่งเน้นที่การปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เท่านั้น แต่มีปัญหามากมาย เทคโนโลยีนี้มีปัญหาอะไรบ้าง? นักข่าวสัมภาษณ์ Liu Run รองศาสตราจารย์วิชาเคมีที่มหาวิทยาลัยเจ้อเจียง และวิเคราะห์ความลึกลับของโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้กันทั่วไป (เรียกสั้นๆ ว่าแบตเตอรี่ลิเธียม)

อิเล็กโทรไลต์มีความสำคัญมาก

เนื่องจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนทำให้แบตเตอรี่สามารถให้พลังงานได้ เมื่อต่อแบตเตอรี่เข้ากับวงจรแล้ว สวิตช์จะปิดและกระแสไฟจะเปิดขึ้น ณ จุดนี้อิเล็กตรอนจะหนีออกจากขั้วลบและไหลผ่านวงจรไปยังขั้วบวก ในกระบวนการนี้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะทำให้โทรศัพท์ของคุณทำงาน เหมือนกับการขับรถไฟฟ้าของเทสลา

อิเล็กตรอนในแบตเตอรี่ลิเธียมนั้นจัดหาโดยลิเธียม หากคุณเติมแบตเตอรี่ลิเธียมเข้าไป ความหนาแน่นของพลังงานจะเพิ่มขึ้นหรือไม่? น่าเสียดาย เพื่อให้แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถชาร์จใหม่ได้ โครงสร้างภายในต้องได้รับการประเมินในแง่ของความหนาแน่นของพลังงานจำเพาะ Liu ชี้ให้เห็นว่าโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยอิเล็กโทรไลต์ ข้อมูลเชิงลบ ข้อมูลเชิงบวก และช่องว่าง ซึ่งแต่ละอันมีกระบวนการพิเศษเฉพาะตัว มีบทบาทเฉพาะตัวและขาดไม่ได้ โครงสร้างนี้จำกัดความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

อย่างแรกคืออิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นท่อร้อยสายที่จำเป็นในแบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่หมด อะตอมของลิเธียมจะสูญเสียอิเลคตรอนและกลายเป็นลิเธียมไอออน และเมื่อชาร์จใหม่ พวกมันจะต้องวิ่งจากปลายแบตเตอรี่ด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่งและกลับมาใหม่อีกครั้ง หลิวกล่าวว่า อิเล็กโทรไลต์ช่วยรักษาลิเธียมไอออนไว้ที่ขั้วเหนือและใต้ของแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการหมุนเวียนแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง อิเล็กโทรไลต์ก็เหมือนแม่น้ำ ลิเธียมไอออนก็เหมือนปลา หากแม่น้ำแห้งและปลาไม่สามารถข้ามไปอีกฝั่งได้ แบตเตอรี่ลิเธียมจะทำงานไม่ถูกต้อง

ความงามของอิเล็กโทรไลต์คือมีลิเธียมไอออนเท่านั้น ไม่ใช่อิเลคตรอน เพื่อให้มั่นใจว่าแบตเตอรี่จะคายประจุเมื่อต่อวงจรเท่านั้น ในเวลาเดียวกัน ลิเธียมไอออนตามอิเล็กโทรไลต์จะเคลื่อนที่ไปในทางที่เป็นระเบียบและมีการกำหนดไว้อย่างชัดเจน ดังนั้นอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเสมอ ทำให้เกิดกระแส

ขั้วบวกและขั้วลบที่เสถียร

อิเล็กโทรไลต์ไม่ให้พลังงาน แต่หนักและจำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เหตุใดจึงไม่มีข้อมูลเชิงลบเพิ่มเติมจากกราไฟท์ กราไฟต์ ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้ทำไส้ดินสอ ไม่ได้มีหน้าที่จัดหาอิเล็กตรอน ‘เพื่อให้แน่ใจว่าเวลาในการชาร์จถูกต้อง’ นายหลิวกล่าว