นอกเหนือจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ที่เราต้องใช้สำหรับโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์ของเราใช้เทคโนโลยีที่มีอายุมากกว่าหนึ่งในสี่ของศตวรรษ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) แบบรีชาร์จเปิดตัวครั้งแรกในปี พ.ศ. 2534 และรูปลักษณ์ของแบตเตอรี่ดังกล่าวถือเป็นการประกาศถึงการปฏิวัติในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค จากนั้นเป็นต้นมา เราสามารถบรรจุพลังงานในปริมาณที่เพียงพอเพื่อเริ่มต้นวิศวกรรมอุปกรณ์

อิเล็กทรอนิกส์

พกพาจำนวนมาก ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ให้ความยืดหยุ่นและความสะดวกสบายในชีวิตและงานของเรามากขึ้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แบตเตอรี่ Li-ion ได้กลายเป็นโซลูชันหลักในการพยายามแก้ปัญหาที่เชื่อมโยงกันของการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและพลังงานหมุนเวียน กำลังถูกใช้มากขึ้น

เพื่อขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าและเป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์ตามบ้านที่เก็บพลังงานที่ผลิตขึ้นจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ช่วยสร้างความสมดุลให้กับโครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะที่หลากหลายและเพิ่มมากขึ้น เทคโนโลยีก็ได้รับการปรับปรุงเช่นกัน ในช่วงสองทศวรรษครึ่งที่ผ่านมา 

ผู้เชี่ยวชาญด้านแบตเตอรี่ประสบความสำเร็จในการทำให้แบตเตอรี่ Li-ion มีประสิทธิภาพมากขึ้น 5–10% ในแต่ละปี เพียงแค่ปรับปรุงสถาปัตยกรรมที่มีอยู่ให้เหมาะสมยิ่งขึ้นท้ายที่สุดแล้ว การก้าวจากจุดที่เราอยู่ไปสู่เศรษฐกิจที่ปราศจากคาร์บอนอย่างแท้จริงนั้นจะต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพดีกว่า

เทคโนโลยี Li-ion ในปัจจุบัน (หรือแม้กระทั่งในวันพรุ่งนี้) ตัวอย่างเช่น ในรถยนต์ไฟฟ้า ข้อพิจารณาหลักคือให้แบตเตอรี่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การบรรลุเป้าหมายนั้นต้องการความหนาแน่นของพลังงานที่สูงกว่า 300 Wh/kg และ 800 Wh/L ซึ่งถูกมองว่าเป็นขีดจำกัดในทางปฏิบัติ

สำหรับเทคโนโลยี Li-ion ในปัจจุบัน ปัญหาอีกประการหนึ่งที่ฉุดรั้งการนำรถยนต์ไฟฟ้ามาใช้คือต้นทุน ซึ่งปัจจุบันยังคงอยู่ที่ประมาณ 300–200 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมง แม้ว่าจะมีการคาดการณ์อย่างกว้างขวางว่าจะลดลงต่ำกว่า 100 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมงภายในปี 2568 หรือเร็วกว่านั้น เวลาที่ต้องใช้

ในการชาร์จ

แบตเตอรี่ใหม่  ซึ่งยังคงอยู่ในช่วงไม่กี่ชั่วโมง – ก็จะต้องลดลงเช่นกันยังมีพื้นที่เหลือให้ปรับปรุงเทคโนโลยี Li-ion ที่มีอยู่ แต่ไม่เพียงพอต่อความต้องการในอนาคต กระบวนการสร้างนวัตกรรมแบตเตอรี่จำเป็นต้องเปลี่ยนขั้นตอน: ความก้าวหน้าด้านวัสดุศาสตร์ 

เคมีและสถาปัตยกรรมของอิเล็กโทรดใหม่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่ามาก อิเล็กโทรไลต์ใหม่ที่สามารถให้ค่าการนำไฟฟ้าที่จำเป็นสูง ทั้งหมดนี้รวมอยู่ในแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยและใช้งานได้ยาวนาน ยั่งยืนตลอดจนประหยัดและยั่งยืนในการผลิตมายากลลิเธียมเพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดสิ่งนี้

จึงเป็นความท้าทาย การทำความเข้าใจสถาปัตยกรรมพื้นฐานของแบตเตอรี่ที่มีอยู่จะช่วยให้เข้าใจได้ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบรีชาร์จประกอบด้วยเซลล์ตั้งแต่หนึ่งเซลล์ขึ้นไป ซึ่งแต่ละเซลล์เป็นโรงงานเคมีขนาดเล็กที่ประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้วโดยมีอิเล็กโทรไลต์อยู่ระหว่างกลาง 

เมื่อเชื่อมต่ออิเล็กโทรด (เช่น ต่อสายไฟผ่านหลอดไฟ) กระบวนการทางเคมีไฟฟ้าจะเริ่มต้นขึ้น ในขั้วบวก อิเล็กตรอนและลิเธียมไอออนจะถูกแยกออกจากกัน และอิเล็กตรอนจะส่งเสียงหึ่งๆ ผ่านสายไฟและทำให้หลอดไฟสว่างขึ้น ในขณะเดียวกัน ลิเธียมไอออนที่มีประจุบวกจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์

ไปยังแคโทด ที่นั่น อิเล็กตรอนและ Li-ion จะรวมกันอีกครั้ง แต่อยู่ในสถานะพลังงานที่ต่ำกว่าเดิม

ข้อดีของแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้คือกระบวนการเหล่านี้สามารถย้อนกลับได้ ทำให้ลิเธียมไอออนกลับคืนสู่ขั้วบวกและคืนค่าสถานะพลังงานและความแตกต่างดั้งเดิมของศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้า

ลิเธียมไอออนเหมาะสำหรับงานนี้ ลิเธียมไม่เพียงแต่เป็นโลหะที่เบาที่สุดในตารางธาตุเท่านั้น แต่ยังเป็นโลหะที่มีปฏิกิริยามากที่สุดและจะแยกส่วนกับอิเล็กตรอนได้ง่ายที่สุด ได้รับเลือกให้เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เนื่องจากสามารถทำงานได้มากที่สุดโดยมีมวลน้อยที่สุดและมีความยุ่งยากทางเคมีน้อยที่สุด 

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง

 “เหมาะที่สุด” อาจประกอบด้วยแคโทดแบบลิเธียมแอร์ (ลิเธียมเปอร์ออกไซด์) ร่วมกับลิเธียมแอโนดบริสุทธิ์ แต่ในขณะที่ส่วนประกอบของวัสดุของแบตเตอรี่เหล่านี้ฟังดูเรียบง่าย เส้นทางสู่การทำให้เป็นจริงนั้นไม่ง่ายนัก และยังมีหนทางที่ต้องดำเนินการก่อนที่การพัฒนาเหล่านี้จะถูกรวมเข้ากับแบตเตอรี่

เชิงพาณิชย์ เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้น ผลตอบแทนก้อนโตก็เป็นไปได้ สิ่งที่ชัดเจนที่สุดคือรถยนต์ไฟฟ้าที่ขับได้ไกลกว่าและชาร์จได้เร็วกว่า แต่แบตเตอรี่ลิเธียมที่ดีกว่าก็อาจเป็นความก้าวหน้าที่จำเป็นในการทำให้พลังงานหมุนเวียนมีอยู่ทั่วไป และด้วยเหตุนี้เราจึงเลิกยุ่งเกี่ยวกับเชื้อเพลิงฟอสซิลในที่สุด

“คณิตศาสตร์ไม่ใช่วิชาธรรมชาติสำหรับฉัน แม้ว่าฉันจะสนุกกับความท้าทายของมัน และฉันก็เข้าใจได้ว่านักเรียนจำนวนมากกลัววิชานี้มากแค่ไหน!” ในแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียม มีความเป็นไปได้ที่จะทำให้ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างแอโนดและแคโทดสูงกว่าวัสดุอื่นๆท้ายที่สุด 

สนุกและให้ความรู้เมื่อรายชื่อเด็กที่รอเข้าร่วมชมรมวิทยาศาสตร์ในสหราชอาณาจักรของCaroline Alliston เพิ่มขึ้นนานกว่าจำนวนสมาชิกจริงของชมรม เธอรู้ว่าเธอกำลังทำสิ่งที่ถูกต้อง อย่างไรก็ตาม วิศวกรและคุณแม่ลูกสองรู้ดีว่าเธอไม่สามารถอยู่ในสามแห่งพร้อมกันได้ วิธีการแก้ปัญหาของเธอ

คือรวบรวมการทดลองที่ประสบความสำเร็จที่สุดของสโมสรและเผยแพร่ให้ผู้อื่นใช้ คอลเลกชันล่าสุดของ Alliston, Physics for Funตามด้วยสองรายการที่อุทิศให้กับเทคโนโลยีและนำเสนอโครงการใหม่ทั้งหมด 30 โครงการ หนังสือเล่มนี้ให้พื้นที่พอๆ กันสำหรับโครงการเชิงกล (เช่น Trebuchet ขนาดเล็ก) 

credit: brave-mukai.com bigfishbaitco.com LibertarianAllianceBlog.com EighthDayIcons.com outletonlinelouisvuitton.com ya-ca.com ejungleblog.com caalblog.com vjuror.com