จริงหรือ...แบตเตอรี่อะลูมิเนียมไอออน เหนือกว่า ลิเธียมไอออน

ในปัจจุบันความต้องการอุปกรณ์กักเก็บพลังงานประสิทธิภาพสูง อย่างแบตเตอรี่ ได้เพิ่มขึ้นจากการใช้งานในหลากหลายกลุ่มอุตสาหกรรมทั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา อุปกรณ์กักเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานทางเลือก อุปกรณ์สำรองไฟฟ้าในระบบกริด รวมทั้งเป็นแหล่งพลังงานให้กับยานยนต์ไฟฟ้า-ไฮบริด เป็นต้น

อุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายคือ แบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออน (lithium-ion battery) มีคุณสมบัติเด่นในหลายด้าน ได้แก่ มีความหนาแน่นพลังงานสูง อัตราคายประจุตัวเองต่ำ อายุการใช้งานยาวนาน แต่ด้วยข้อจำกัดด้านความปลอดภัยที่สามารถระเบิดและติดไฟได้เมื่อสัมผัสกับอากาศ และมีการใช้สารอิเล็กโตรไลต์ (electrolyte) ที่มีความเป็นพิษ อีกทั้งแร่ลิเธียมยังมีราคาสูงเนื่องจากแหล่งแร่มีจำกัดและต้องนำเข้าจากต่างประเทศ ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อความมั่นคงทางด้านพลังงานให้กับประเทศได้ในอนาคต ดังนั้น การพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดที่มีความปลอดภัย ราคาถูก มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน มีความหนาแน่นพลังงานสูง และมีแหล่งวัตถุดิบปริมาณมากโดยเฉพาะแร่โลหะที่เป็นองค์ประกอบหลักของแบตเตอรี่ชนิดนั้น จึงเป็นเรื่องจำเป็นเพื่อการพัฒนาและความมั่นคงทางด้านพลังงานของประเทศ

การพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดอื่น นอกจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถแบ่งประเภทได้ตามแต่ละชนิดของโลหะ อาทิเช่น โซเดียมไอออน โพแทสเซียมไอออน แคลเซียมไอออน แมกนีเซียมไอออน สังกะสีไอออน และอะลูมิเนียมไอออน เป็นต้น โดยพบว่า แบตเตอรี่ชนิดอะลูมิเนียมไอออน มีความน่าสนใจ ซึ่งนอกจากจะเป็นธาตุที่มีมากเป็นลำดับ 3 รองจาก ออกซิเจนและซิลิกอนบนเปลือกโลกแล้ว แร่อะลูมิเนียมยังมีราคาค่อนข้างถูก ประมาณ 70 บาทต่อกรัม เมื่อเทียบกับแร่โลหะลิเทียม (10,000 บาทต่อกรัม) นอกจากนี้ อะลูมิเนียมยังเป็นโลหะที่ทนต่อสภาพแวดล้อมได้ดี ไม่ระเบิดเมื่อสัมผสกับอากาศและความชื้น และด้วยการที่อะลูมิเนียมสามารถให้ประจุบวกได้ถึง 3 ตัว (Al3+) จึงทำให้ค่าความความจุปริมาตรจำเพาะตามทฤษฎีของแบตเตอรี่อะลูมิเนียมไอออนนั้นมีค่าเท่ากับ 8,046 mAh/cm ซึ่งมากกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนถึง 4 เท่า

รวมถึงเล็กโตรไลต์ที่ใช้กับระบบของแบตเตอรี่อะลูมิเนียมไอออนนั้น เป็นสารอะลมูิเนียมคลอไรด์รว่มกับของเหลวไอออนิก ซึ่งไม่ติดไฟและไม่มีมีความเป็นพิษ จึงทำให้แบตเตอรี่อะลูมิเนียมไอออนมีพลังงานสูง ปลอดภัยและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมด้วย อย่างไรก็ตาม การพัฒนาแบตเตอรี่อะลูมิเนียมไอออนยังคงมีข้อจำกัดบางประการที่ต้องพัฒนา ได้แก่ การพัฒนาช่วงศักย์ไฟฟ้าให้สูงขึ้น และการค้นหาวัสดุที่ใช้เป็นขั้วแคโทด ซึ่งปัจจุบันยังคงมีตัวเลือกน้อยเนื่องจากต้องการความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาย้อนกลับที่ดีของอะลูมิเนียมไอออนสำหรับจะใช้เป็นขั้วแคโทด

ปัจจุบันพบว่าวัสดุกราฟีนได้ถูกนำมาใช้เตรียมเป็นขั้วแคโทด และสามารถเพิ่มช่วงศักย์ไฟฟ้าได้สูงถึง 1.7 โวลต์ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของการกักเก็บพลังงานต่อรอบชาร์จ (round-trip efficiency) ส่งผลให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนานโดยสามารถอัดและคายประจุ มากกว่า 10,000 รอบ ซึ่งมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึง 3 เท่า แบตเตอรี่ทรงพลังและอึดแบบนี้ต้องช่วยกันลุ้นว่า จะมาแทนแบตเตอรี่ลิเธียมที่เราใช้กันอยู่ในเร็ววันได้ไหม

*บทความโดย ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช., เมธีวิจัยอาวุโส สกว.,สมาคมวิจัยวัสดุประเทศไทย