- นักวิทยาศาสตร์จีนพัฒนาคาตาไลเซอร์ฟลูออรีนกราไฟต์ เพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศถึงประมาณ 98%
- แบตเตอรี่ยังคงรักษาประสิทธิภาพได้ 97.6% หลังจากการชาร์จและปล่อยไฟ 1,500 รอบ
- แบตเตอรี่ซิงค์-อากาศถูกมองว่าเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เนื่องจากมีความหนาแน่นพลังงานสูงและต้นทุนต่ำ
- ผลการวิจัยอาจนำไปสู่กลยุทธ์ใหม่สำหรับคาตาไลเซอร์คาร์บอนที่ไม่พึ่งพาโลหะ
นักวิทยาศาสตร์จีนได้พัฒนาคาตาไลเซอร์กราไฟต์ชนิดหนึ่งที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศให้สูงถึงประมาณ 98% และทำให้สามารถทำงานได้มากกว่า 820 ชั่วโมง คาตาไลเซอร์ฟลูออรีนกราไฟต์ (FG-3) นี้มีฟลูออรีนอยู่ 3.1% โดยทีมงานนำโดยดร.เหวินเจิ้นไห่ และดร.หวังจวิ้นเฮิง จากสถาบันวิจัยโครงสร้างวัสดุแห่งมณฑลฟูเจี้ยน ตามคำกล่าวของนักวิทยาศาสตร์ คาตาไลเซอร์กราไฟต์นี้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศได้อย่างมีนัยสำคัญ ในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่ได้แสดงประสิทธิภาพที่น่าประทับใจถึง 98% และทำงานได้อย่างเสถียรในอากาศที่อุณหภูมิห้องเกินกว่า 820 ชั่วโมง
นอกจากนี้ หลังจากการชาร์จและปล่อยไฟ 1,500 รอบ แบตเตอรี่ยังคงรักษาประสิทธิภาพได้ 97.6% ดร.เหวินและดร.หวังเชื่อว่าผลการวิจัยเหล่านี้อาจนำไปสู่ระบบเก็บพลังงานรุ่นถัดไปที่ดีกว่าและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
ข้อดีและความท้าทายของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศ
แบตเตอรี่ซิงค์-อากาศ (ZABs) ใช้โลหะซิงค์และออกซิเจนจากอากาศรอบข้างในการผลิตพลังงาน โดยที่โลหะซิงค์ทำหน้าที่เป็นขั้วลบและออกซิเจนจะทำปฏิกิริยาที่ขั้วบวก เนื่องจากสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่า แบตเตอรี่ซิงค์-อากาศจึงถูกมองว่าเป็นทางเลือกที่มีแนวโน้มสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน นอกจากนี้ แหล่งซิงค์มีมากมาย ต้นทุนต่ำ และมีความหนาแน่นพลังงานสูง อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน แบตเตอรี่ซิงค์-อากาศแทบจะไม่สามารถชาร์จได้ ซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมีที่ซับซ้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างการชาร์จและปล่อยไฟ ซึ่งต้องการพลังงานจำนวนมาก ทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศลดลงและวัสดุเสื่อมสภาพเร็วขึ้น
เพื่อแก้ไขความท้าทายนี้ นักวิจัยจีนได้หันมาใช้ปฏิกิริยาสองอิเล็กตรอนที่เกี่ยวข้องกับออกซิเจนและไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ซึ่งมีความเร็วที่สูงกว่าและมีความสามารถในการกลับตัวที่ดีกว่า
การผลิตและประสิทธิภาพของฟลูออรีนกราไฟต์
ทีมงานชี้ให้เห็นว่า “เส้นทางการเปลี่ยนแปลง O2-H2O2 แบบสองอิเล็กตรอน (2e-) ได้รับความสนใจมากขึ้นเนื่องจากจลนศาสตร์ภายในที่เร็วขึ้นและความสามารถในการกลับตัวที่ดีกว่า” เพื่อผลิตฟลูออรีนกราไฟต์ พวกเขาใช้กระบวนการควบคุมการให้ความร้อน ซึ่งค่อยๆ กำจัดฟลูออรีนในวัสดุในขณะที่ฟื้นฟูโครงสร้างคาร์บอนที่นำไฟฟ้า กระบวนการควบคุมการให้ความร้อนนี้ช่วยให้ทีมงานสร้างตัวอย่างกราไฟต์ที่มีความเข้มข้นของฟลูออรีนแตกต่างกันหลายตัวอย่าง FG-3 แสดงประสิทธิภาพที่ดีที่สุด เนื่องจากสามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นและเร่งปฏิกิริยาทางเคมีได้ วัสดุนี้ยังมีพื้นที่ผิวใหญ่ การกระจายฟลูออรีนที่สม่ำเสมอ และการมีปฏิสัมพันธ์กับอิเล็กโทรไลต์ที่ดีขึ้น
การทดสอบเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าการเชื่อมโยงฟลูออรีนเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าของอะตอมคาร์บอนใกล้เคียง
เพื่อประเมินประสิทธิภาพเพิ่มเติม ทีมวิจัยได้ทดสอบคาตาไลเซอร์นี้ในแบตเตอรี่ซิงค์ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าคาตาไลเซอร์กราไฟต์ FG-3 มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยม โดยมีความเฉพาะเจาะจงต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ที่ 97.4% และประสิทธิภาพฟาราเดย์ที่ 98% แบตเตอรี่ซิงค์-อากาศที่ไม่สามารถชาร์จได้ซึ่งผลิตด้วยคาตาไลเซอร์นี้มีความหนาแน่นพลังงานสูงสุดที่ 569 มิลลิวัตต์ต่อเซนติเมตร² (mW cm-2) ในขณะเดียวกัน รุ่นที่สามารถชาร์จได้มีประสิทธิภาพย้อนกลับที่ 98% หลังจากการชาร์จประมาณ 1,500 รอบ แบตเตอรี่ยังคงรักษาประสิทธิภาพได้ 97.6% และทำงานได้อย่างเสถียรในอากาศปกติเกินกว่า 820 ชั่วโมง
แนวทางการพัฒนาคาตาไลเซอร์ในอนาคต
ตามคำกล่าวของนักวิทยาศาสตร์ ผลการค้นพบเหล่านี้อาจนำเสนอแนวทางใหม่ในการผลิตคาตาไลเซอร์คาร์บอนที่ไม่พึ่งพาโลหะ ทีมงานได้สรุปในข่าวประชาสัมพันธ์ว่า “คาตาไลเซอร์นี้ทำให้การเปลี่ยนแปลง O2-H2O2 ที่มีความสามารถในการกลับตัวสูงเป็นไปได้ และแสดงประสิทธิภาพที่โดดเด่นในแบตเตอรี่ที่ใช้ซิงค์” งานวิจัยนี้ได้เผยแพร่ในวารสาร Angewandte Chemie International Edition
รายการ สเปค ความเข้มข้นของฟลูออรีน 3.1% ประสิทธิภาพย้อนกลับ 98% ระยะเวลาการทำงาน มากกว่า 820 ชั่วโมง จำนวนรอบการชาร์จและปล่อยไฟ 1,500 รอบ ความเฉพาะเจาะจงต่อไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ 97.4% ความหนาแน่นพลังงานสูงสุด 569 mW/cm²
ศักยภาพและการประยุกต์ใช้ของคาตาไลเซอร์ฟลูออรีนกราไฟต์
การพัฒนาคาตาไลเซอร์ฟลูออรีนกราไฟต์ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศ เนื่องจากสามารถเพิ่มประสิทธิภาพและความทนทานของแบตเตอรี่ได้อย่างมีนัยสำคัญ ข้อดีของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศอยู่ที่ความหนาแน่นพลังงานสูงและต้นทุนต่ำ ทำให้เป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่งสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการชาร์จและปล่อยไฟที่ต่ำของแบตเตอรี่ซิงค์-อากาศแบบดั้งเดิมจำกัดการใช้งานจริงของมัน คาตาไลเซอร์ที่พัฒนาขึ้นใหม่ไม่เพียงแต่ปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ แต่ยังเปิดแนวทางใหม่ในการออกแบบคาตาไลเซอร์ในอนาคต โดยเฉพาะในกรณีที่ไม่พึ่งพาโลหะ ซึ่งอาจช่วยส่งเสริมโซลูชันพลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม