Liquid Metal Batteries : The Long – Duration Energy Storage
แบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Batteries ได้รับการยกย่องจากนักวิชาการหลายท่านว่า เป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่ปฏิวัติวงการมากที่สุดตั้งแต่ John B. Goodenough คิดค้นแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนเมื่อหลายสิบปีก่อน ..
แต่เส้นทางจากห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตเต็มรูปแบบนั้นใช้เวลานาน และคดเคี้ยว รวมทั้งความสำเร็จในเชิงพาณิชย์เอง ก็ยังมิได้รับการประกัน .. ดังนั้น แบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Batteries จะเปลี่ยนโลกได้จริงหรือไม่นั้น ยังคงเป็นที่สงสัย ..
แบตเตอรี่เกลือหลอมเหลว Molten – Salt Battery ..
แบตเตอรี่เกลือหลอมเหลว เป็นแบตเตอรี่ประเภทหนึ่งที่ใช้เกลือหลอมเหลวเป็นอิเล็กโทรไลท์ มันให้ทั้งความหนาแน่นของพลังงาน Energy Density และความหนาแน่นของกำลัง Power Density ที่สูงมาก .. แบตเตอรี่ความร้อน Thermal Batteries ที่ไม่สามารถชาร์จประจุซ้ำได้รูปแบบดั้งเดิมทั่วไป สามารถเก็บไว้ในสถานะของแข็งที่อุณหภูมิห้องเป็นระยะเวลายาวนานหลายปีก่อนที่จะเปิดใช้งานครั้งเดียวโดยการให้ความร้อน .. แบตเตอรี่โลหะเหลวแบบชาร์จได้ หรือ Rechargeable Liquid – Metal Batteries นั้น สามารถทำเช่นที่กล่าวได้เช่นกัน รวมทั้งสามารถชาร์จซ้ำได้ด้วยอายุการใช้งานหลายสิบปี ..
ดังนั้น มันจึงเหมาะสมอย่างยิ่งในการประยุกต์ใช้สำหรับระบบสำรองพลังงานในภาคอุตสาหกรรม ยานยนต์ไฟฟ้ารูปแบบเฉพาะ และสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่ง หรือระบบกริดไฟฟ้า เพื่อสร้างสมดุลให้กับแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่องผันแปร เช่น แหล่งพลังงานแสงอาทิตย์จากแผงโซล่าเซลล์ กังหันลม และเขื่อนผลิตไฟฟ้าพลังน้ำ เป็นต้น ..
ในอดีต .. แบตเตอรี่ความร้อน Thermal Batteries เกิดขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Georg Otto Erb พัฒนาเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ใช้งานสำหรับยุทโธปกรณ์ทางทหารโดยใช้สารละลายเกลือผสม Salt Mixture ซึ่งหมายถึง สารละลายอิ่มตัวเนื้อเดียวที่เกิดจากสาร 2 ชนิดขึ้นไป เป็นอิเล็กโทรไลท์ .. Erb ได้พัฒนาแบตเตอรี่ความร้อนเพื่อเตรียมใช้งานในระบบอาวุธฯ รวมถึง จรวด V – 1 Flying Bomb, จรวด V – 2 Aggregat 4 และลูกกระสุนปืนใหญ่ ..
แม้ว่าจะไม่มีระบบแบตเตอรี่ความร้อนเหล่านี้เข้าสู่สนามรบจริงในช่วงสงครามได้ทัน แต่หลังจาก Erb ถูกสอบปากคำโดยหน่วยข่าวกรองอังกฤษ ส่งผลให้ผลงานยอดเยี่ยมของเขาได้รับการรายงานใน “Theory and Practice of Thermal Cells” .. ข้อมูลนี้ ได้ถูกส่งไปยังแผนกพัฒนาอาวุธยุทโธปกรณ์ของสหรัฐฯ ในสำนักงานมาตรฐานแห่งชาติในเวลาต่อมา ..
เมื่อเทคโนโลยีนี้มาถึงสหรัฐฯ ในปี พ.ศ.2489 ได้มีการนำมันไปใช้ในทันที เพื่อแทนที่ระบบจัดเก็บกำลังไฟฟ้าที่ใช้ของเหลว Liquid – Based Systems ที่มีปัญหาก่อนหน้านี้ .. ทั้งนี้ หลังจากถูกใช้เพื่อให้กำลังไฟฟ้าแก่ชนวนลูกกระสุนปืนใหญ่ Proximity Fuses แล้ว พวกมันถูกใช้เป็นชุดแบตเตอรี่เพื่อการจ่ายกำลังไฟฟ้าสำหรับระบบอาวุธฯ Ordnance Applications และระบบชนวนไฟฟ้าของระบบอาวุธซัดส่งนำวิถี เช่น จรวดนำวิถี ขีปนาวุธ รวมถึงระบบอาวุธฯ อีกหลายประเภทเพื่อจ่ายกำลังไฟฟ้าแก่ระบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ทำให้สุดท้ายแล้วหัวรบจุดระเบิดด้วยชนวนไฟฟ้าขึ้นได้เพียงเมื่อเข้าใกล้เป้าหมายเท่านั้น หรือที่เรียกว่า Proximity Fuses โดยไม่จำเป็นต้องพุ่งชนเป้าหมาย เหมือนชนวนกระทบแตกทั่วไป และต่อมา มันก็ถูกประยุกต์ใช้เป็นแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าในอาวุธนิวเคลียร์ .. เทคโนโลยีเดียวกันนี้ ได้รับการศึกษาโดย Argonne National Laboratories และนักวิจัยคนอื่น ๆ ในช่วงทศวรรษ 1980 เพื่อใช้ในยานยนต์ไฟฟ้ามาก่อนอีกด้วย ..
การศึกษาในปี 2564 รายงานการทำงานที่ยอดเยี่ยม และเสถียรภาพของเซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะเหลวที่อุณหภูมิ 230 °F หรือ 110 °C ใน 400 รอบ เซลล์ไฟฟ้าทำงานที่ 3.6 Volts .. โลหะโซเดียมเหลว Liquid Sodium Metal และตัวแยกเซรามิก Ceramic Separator โดยได้ส่วนผสมของโซเดียมไอโอไดด์เหลว Liquid Sodium Iodide และแกลเลียมคลอไรด์ Gallium Chloride เรียกว่า “แคโทไลท์ Catholyte” คาดว่า ราคาแกลเลียมคลอไรด์ Gallium Chloride ที่สูงมาก อาจทำให้การออกแบบนี้ ไม่สามารถนำไปใช้ในเชิงเชิงพาณิชย์ได้ ..
ทั้งนี้ สำหรับเซลล์ไฟฟ้าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟฟ้าได้ .. ตั้งแต่ช่วงกลางทศวรรษ 1960 งานพัฒนาจำนวนมากได้ดำเนินการเกี่ยวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้โดยใช้โซเดียม Na สำหรับขั้วลบ .. โซเดียมมีความน่าดึงดูดใจเนื่องจากมีศักยภาพในการลดปริมาณไอออนของโซเดียมที่ – 2.71 Volt น้ำหนักเบา ธรรมชาติที่ไม่เป็นพิษ ความอุดมสมบูรณ์ และปริมาณสำรองในธรรมชาติ ความพร้อมใช้งาน และต้นทุนต่ำ ในการสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้จริง โซเดียมต้องอยู่ในรูปของเหลว จุดหลอมเหลวของโซเดียมคือ 98 °C หรือ 208 °F ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่ที่ใช้โซเดียมทำงานที่อุณหภูมิระหว่าง 245 ถึง 350 °C หรือ 470 ถึง 660 °F การวิจัยได้ตรวจสอบการผสมโลหะกับอุณหภูมิในการทำงานที่ 200 °C หรือ 390 °F และอุณหภูมิห้อง ..
ศาสตราจารย์โดนัลด์ ซาโดเวย์ Donald Sadoway แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ Massachusetts Institute of Technology : MIT เป็นผู้บุกเบิกการวิจัยแบตเตอรี่ชาร์จไฟฟ้าได้รูปแบบโลหะเหลว Liquid – Metal Rechargeable Batteries โดยใช้ทั้ง แคลเซียม แมกนีเซียม – พลวง และตะกั่ว – พลวง .. เมื่อเร็ว ๆ นี้ ชั้นอิเล็กโทรด และอิเล็กโทรไลท์ จะถูกทำให้ร้อนจนเป็นของเหลว และแยกตัวออกจากกันด้วยตัวมันเอง Self – Segregate เนื่องจากความหนาแน่น และความเข้ากันไม่ได้ .. แบตเตอรี่รูปแบบดังกล่าว อาจมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าชุดแบตเตอรี่ทั่วไปอย่างมาก เนื่องจากอิเล็กโทรดทั้ง 2 ขั้ว จะผ่านวงรอบกระบวนการเคมีไฟฟ้า ซึ่งระหว่างรอบการชาร์จ และคายประจุกี่รอบก็ตาม มันจะไม่มีผลกระทบใด ๆ ที่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ หรือสึกหรอต่อขั้วไฟฟ้าเช่นในแบตเตอรี่ทั่วไป ..
อย่างไรก็ตาม ปัจจุบัน นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเท็กซัส University of Texas ในออสติน Austin ได้รายงานในบทความล่าสุดที่ตีพิมพ์ใน Advanced Materials ว่า พวกเขาได้สร้างแบตเตอรี่ชนิดใหม่ที่สมบูรณ์ ซึ่งรวมเอาข้อดีมากมายของแนวคิดเกี่ยวกับแบตเตอรี่ที่มีอยู่ ในขณะที่ขจัดข้อบกพร่องที่สำคัญ สิ่งที่นักวิจัยได้สร้างขึ้นที่พวกเขาเรียกว่า “แบตเตอรี่โลหะเหลวรวมที่อุณหภูมิห้อง Room – Temperature, All – Liquid – Metal Battery” ซึ่งรวมเอาแบตเตอรี่ที่เป็นโลหะเหลว และโซลิดสเตต Liquid and Solid – State Batteries ที่ดีที่สุด .. มันได้กลายเป็น แบตเตอรี่โลหะเหลวที่อุณหภูมิห้อง ทนทาน และปลอดสารพิษ ซึ่งอาจเป็นตัวเปลี่ยนเกมสำคัญในอนาคตระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ที่รวมคุณสมบัติที่ต้องการทั้งหมด ได้แก่ ความหนาแน่นของพลังงานสูง โครงสร้างน้ำหนักเบา การจัดการที่ปลอดภัย และรอบการชาร์จหลายพันรอบ ไว้พร้อมด้วย ..
แบตเตอรี่โลหะเหลวของ The Ambri Technology ..
ทศวรรษที่ผ่านมา คณะกรรมการแผนงาน และโครงการริเริ่มด้านพลังงานของ Massachusetts Institute of Technology : MIT ได้ติดต่อ Donald Sadoway และ John F. Elliott ศาสตราจารย์ด้านเคมีวัสดุของ MIT เพื่อรับมือกับความท้าทายในระบบจัดเก็บพลังงานบนโครงข่ายระบบสายส่ง หรือระบบกริดไฟฟ้า .. ในขณะนั้น การวิจัยของ MIT มุ่งเน้นไปที่แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Batteries ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างใหม่ .. ทั้งนี้ แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนที่พัฒนาขึ้นนั้น มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา และมีอายุสั้น ซึ่งไม่ใช่ปัญหาสำหรับอุปกรณ์พกพา ซึ่งโดยปกติแล้วจะมีการอัปเกรดทุก ๆ สองสามปี แต่มันอาจเป็นปัญหาสำหรับการใช้งานบนระบบกริดในลักษณะ Stationary Battery Packs ..
ชุดแบตเตอรี่สำหรับโครงข่ายระบบสายส่งกำลังไฟฟ้านั้น ต้องสามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเป็นเวลาหลายสิบปี แม้ความหนาแน่นของพลังงานจะสูงกว่าด้วยปริมาตรเท่ากัน รวมทั้งมันอาจจะใหญ่ มีน้ำหนักมาก และมักนิยมใช้มันเป็นชุดแบตเตอรี่แบบอยู่กับที่ Stationary Battery Packs แต่ที่สำคัญที่สุด ได้แก่ พวกมันต้องมีราคาไม่แพง .. “แนวคิดเชิงวิชาการแบบคลาสสิกในการประดิษฐ์เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ดีที่สุด และพยายามลดต้นทุนในขั้นตอนการผลิต จะไม่มีทางทำให้เกิดผลสำเร็จได้” ศาสตราจารย์ Donald Sadoway กล่าว “ในภาคพลังงานนั้น พวกมันกำลังแข่งขันกับไฮโดรคาร์บอนจากแหล่งพลังงานเชื้อเพลิงฟอสซิลราคาถูก ซึ่งพวกเขายึดครองพื้นที่ตลาดพลังงานโลกไว้อย่างเหนียวแน่นมายาวนาน” .. ด้วยเหตุนี้ การเปลี่ยนแปลงแบบพลิกฟ้าคว่ำแผ่นดินในอนาคตเกี่ยวกับภาคพลังงานสะอาด จะต้องใช้วิธีการคิดที่ต่างออกไปเกี่ยวกับระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ที่ทนทาน เชื่อถือได้ และราคาจะแพงเกินไปนั้นไม่ได้ ..
ดังนั้น แบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery จึงอาจกลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีเปลี่ยนเกมที่น่าสนใจ เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปสู่อนาคตระบบจัดเก็บพลังงานสะอาดขนาดใหญ่ให้สำเร็จในที่สุดได้ ..
โดยทั่วไป เซลล์ไฟฟ้าเคมีของ The Ambri Technology สำหรับแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid – Metal Battery นั้น เป็นรูปแบบหนึ่งของแบตเตอรี่เกลือหลอมเหลว Molten – Salt Battery ประกอบด้วยแอโนดโลหะผสมแคลเซียมเหลว Liquid Calcium Alloy Anode, อิเล็กโทรไลท์เกลือหลอมเหลว Molten Salt Electrolyte และแคโทด Cathode ที่ประกอบด้วยอนุภาคของแข็งของพลวง Antimony ทำให้สามารถใช้วัสดุต้นทุนต่ำ และขั้นตอนจำนวนน้อยในกระบวนการประกอบเซลล์ไฟฟ้าเคมี ..
สารออกฤทธิ์ Active Materials ในเซลล์ไฟฟ้าเคมีของ Ambri สามารถกลับด้านโลหะผสม และการแยกโลหะผสมขณะชาร์จ และคายประจุ .. อิเล็กโทรไลท์ มีความคงตัวทางอุณหพลศาสตร์ด้วยอิเล็กโทรด หลีกเลี่ยงปฏิกิริยาข้างเคียงที่ไม่ต้องการได้ เช่น การเกิดฟิล์มที่สามารถลดประสิทธิภาพการทำงานเหมือนเช่นในเซลล์เคมีไฟฟ้ารูปแบบอื่น ๆ ที่เป็นของแข็ง .. นอกจากนี้ อิเล็กโทรดขั้วลบ จะถูกใช้จนหมดเมื่อคายประจุ และจากนั้นจะเริ่มกระบวนชาร์จประจุใหม่ทุกรอบไป ส่งผลให้มีกระบวนการที่ทำซ้ำได้สูงกว่าโดยไม่มีผลกระทบที่ทำให้เซลล์ไฟฟ้าสึกหรอแต่อย่างไร ..
ด้วยลักษณะการทำงานที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้ เทคโนโลยีแบตเตอรี่โลหะเหลวของ Ambri จึงหลีกพ้นกลไกการเสื่อมสภาพทั่วไปที่ทำให้ความจุลดลงเช่นในเซลล์ไฟฟ้าที่ใช้สารเคมีรูปแบบอื่น ๆ ..
สำหรับเซลล์ไฟฟ้าเคมีอุณหภูมิสูง High – Temperature Chemistry รูปแบบนี้นั้น .. ที่อุณหภูมิห้อง เซลล์ไฟฟ้าของ Ambri จะไม่นำไฟฟ้า และวัสดุที่ใช้คือโลหะแข็ง กับอิเล็กโทรไลท์ที่เป็นของแข็ง เมื่อให้ความร้อนถึงอุณหภูมิ 500 ˚C ระบบแบตเตอรี่โลหะเหลวของ Ambri จะทำงานที่ระดับประสิทธิภาพสูงสุดไม่ว่าอุณหภูมิภายนอกจะเป็นอย่างไร และไม่ต้องการเครื่องปรับอากาศที่ใช้พลังงานมากใด ๆ ทั้งสิ้น ..
ระบบที่ Ambri ใช้จะสร้างความร้อนขึ้นเองระหว่างการใช้งาน จึงไม่จำเป็นต้องให้พลังงานเสริมสำหรับการควบคุมอุณหภูมิ หรือพลังงานใด ๆ จากภายนอกที่ระบบเหล่านี้ต้องการใช้เพิ่มเติมอีก .. รอบการชาร์จ/การคายประจุเต็มอย่างน้อยทุก ๆ สองวัน จะทำให้ระบบมีอุณหภูมิในการทำงาน และรอบการทำงานที่สูงขึ้นนั้น ไม่ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพ หรือสึกหรอเพิ่มขึ้นแต่อย่างไร ..
ระบบในเชิงพาณิชย์ของ Ambri จะบรรจุอยู่ในคอนเทนเนอร์ 500 – 1,500 VDC ที่มีความจุสูงสุด 1 MWh .. คอนเทนเนอร์เหล่านี้ จะถูกประกอบจากโรงงาน และจัดส่งไปยังไซด์งานที่มีการบรรจุ และปิดผนึกอย่างแน่นหนา และต้องการการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ..
คอนเทนเนอร์เหล่านี้ แต่ละตู้จะไม่มีส่วนประกอบที่เปลี่ยน หรือซ่อมบำรุงได้ การดำเนินการนี้ช่วยลดการซ่อมบำรุงรักษา ณ สถานที่หน้างาน หมายความว่า คอนเทนเนอร์จะกลายเป็นส่วนประกอบของระบบรูปแบบแยกส่วน และสับเปลี่ยนได้ สำหรับโครงการที่มีคอนเทนเนอร์ตั้งแต่ 10 ตู้ขึ้นไปเชื่อมต่อกันแบบขนาน .. ความน่าเชื่อถือของระบบจะเพิ่มขึ้นด้วย N+1 Redundancy ที่ระดับของคอนเทนเนอร์ Container Level ..
แบตเตอรี่โลหะเหลวของ The Ambri Technology รูปแบบนี้ ถือเป็นระบบจัดเก็บพลังงานต้นทุนต่ำที่สุด .. เซลล์ไฟฟ้าเคมีของ Ambri ใช้วัสดุอิเล็กโทรดที่มีอยู่ทั่วไปซึ่งมีราคา 1/3 ของวัสดุที่ใช้ในเซลล์ไฟฟ้าลิเธี่ยมไอออน NMC .. การผลิตเซลล์ไฟฟ้าเคมีของ Ambri ทำได้ง่ายกว่ามาก และต้องใช้เงินลงทุน 1/3 ถึง 1/2 ต่อ MWh ของการผลิตเซลล์ไฟฟ้าลิเธี่ยมไอออน .. นอกจากนี้ ระบบแบตเตอรี่ของ Ambri นั้น ไม่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ระบายความร้อน ระบบดับเพลิง หรืออุปกรณ์ BMS แบบโมดูล และแบบแร็ค Rack Mount ตามเช่นที่ระบบลิเธี่ยมไอออนต้องการ ด้วยเหตุผลเหล่านี้ ระบบแบตเตอรี่เหล่านี้ จึงสามารถเก็บกำลังไฟฟ้า จ่ายกำลังไฟฟ้าได้เป็นระยะเวลายาวนานได้ และเพราะพวกมันมีอายุการใช้งานที่ยาวนานกว่าด้วยมูลค่าการซ่อมบำรุงที่ต่ำอย่างยิ่ง จึงเป็นค่าใช้จ่ายเพียงเศษเสี้ยวของค่าใช้จ่ายสำหรับชุดลิเธี่ยมไอออนแบตเตอรี่ Lithium Ion Battery Packs เมื่อเปรียบเทียบกันบนระบบจัดเก็บพลังงานที่ต้องการอายุใช้งานนาน 20 ปี ..
แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน ราคาได้ลดลงเหลือน้อยกว่า $100 / kWh ในช่วงกลางถึงปลายปี 2020 ที่ผ่านมา .. และเมื่อเทียบกับราคาลิเธี่ยมไอออนในอนาคตที่ต่ำในระดับ 100 เหรียญสหรัฐฯ / kWh แล้ว ซึ่งแม้จะเป็นเช่นนั้น ระบบจัดเก็บพลังงานเหล่านี้ ก็ยังคงมีราคาแพงกว่าระบบชุดแบตเตอรี่โลหะเหลวของ The Ambri Technology อย่างมากอยู่ต่อไป .. ดังนั้น ชุดแบตเตอรี่โลหะเหลวในตู้คอนเทนเนอร์นั้น อาจกำลังจะกลายเป็นเทคโนโลยีเปลี่ยนเกมไปสู่อนาคตระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่บนโครงข่ายระบบสายส่งในเชิงพาณิชย์ได้สำเร็จในที่สุด ..
กลุ่มครอบครัวสารโลหะผสมหลอมเหลว Family of Fusible Alloys ที่อุณหภูมิต่ำ ..
โดยทั่วไปแล้วโลหะ Metals จะมีจุดหลอมเหลวสูง เนื่องจากแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตอย่างแรง Strong Electrostatic Attraction Forces ระหว่างไอออนของโลหะ Metal Ions และอิเล็กตรอนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า Conduction Electrons .. ธาตุที่อยู่ในกลุ่มโลหะมีน้อยมากที่อยู่ในสถานะของเหลว ณ อุณหภูมิห้อง ปรอท Mercury : Hg มีจุดหลอมเหลว – 39 °C เป็นหนึ่งในโลหะเหลว ณ อุณหภูมิห้องที่รู้จักกันมากที่สุด .. จากมุมมองของฟิสิกส์ควอนตัม Quantum Physics นั้น Subshells ที่มีอยู่ทั้งหมดของ ปรอท Hg จะถูกเติมให้เต็ม โครงแบบอิเล็กตรอนที่มีลักษณะเฉพาะเช่นนี้ ซึ่งขัดขวางการกำจัดอิเล็กตรอนออกจาก Subshells ..
ดังนั้น ปรอท Hg จึงมีพฤติกรรมเหมือนก๊าซบางกลุ่มซึ่งมีแรงยึดระหว่างอะตอมต่ำ และมีจุดหลอมเหลวต่ำด้วย อย่างไรก็ตาม การใช้ปรอท Hg ถูกจำกัดเนื่องจากมีความเป็นพิษสูง ทางเลือกโลหะเหลวอื่น ๆ ได้แก่ ซีเซียม Cesium : Cs ที่มีจุดหลอมเหลว 28 °C, รูบิเดียม Rubidium : Rb ที่มีจุดหลอมเหลว 39 °C, แฟรนเซียม francium : Fr ที่มีจุดหลอมเหลวประมาณ 8 °C และแกลเลียม Gallium : Ga ด้วยจุดหลอมเหลว 30 °C .. อย่างไรก็ตาม โลหะธาตุบางตัว ยังมีข้อจำกัด เช่น ปฏิกิริยารุนแรง มีกัมมันตภาพรังสี หรือมีสำรองในธรรมชาติปริมาณน้อย และหายาก ..
นอกจากโลหะบริสุทธิ์ Pure Metals แล้ว ระบบโลหะผสม Alloy Systems เป็นอีกทางเลือกที่มีความยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับการคัดกรองอิเล็กโทรดโลหะที่หลอมเหลว ณ อุณหภูมิต่ำได้อย่างมีเหตุผล เพื่อออกแบบแบตเตอรี่โลหะเหลว .. โลหะผสมหลอม Fusible Metallic เป็นโลหะผสมที่สามารถหลอมละลายได้ง่ายที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โลหะผสมยูเทคติก Eutectic Alloys หลายชนิดเป็นโลหะผสมที่หลอมละลายได้ แต่โลหะผสมที่หลอมได้นั้น ไม่จำเป็นต้องเป็นโลหะผสมยูเทคติก Eutectic Alloys เสมอไป โลหะผสมที่หลอมได้ทั่วไปหลายชนิด ได้แก่ โลหะผสม Hg – Based alloys , โลหะผสมที่เป็นโลหะอัลคาไล Alkali Metal – Based Alloys, โลหะผสม Ga – Based alloys และโลหะผสม Bismuth : Bi – Based Alloy ซึ่งบางส่วนถูกนำมาใช้สำหรับการหล่อขึ้นรูป การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว การทำความเย็นสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ การสังเคราะห์วัสดุนาโน และอุปกรณ์พลังงานอื่น ๆ เป็นต้น ..
ปัจจัยสำคัญหลายประการในการคัดกรองโลหะผสม และโลหะสำหรับแบตเตอรี่โลหะเหลว ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิหลอมเหลวของอิเล็กโทรดโลหะ ซึ่งจะกำหนดอุณหภูมิการทำงานของแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตาม จุดหลอมเหลวไม่ใช่พารามิเตอร์เดียวในการประเมินอิเล็กโทรดโลหะเหลว เนื่องจากการใช้อิเล็กโทรดเหล่านั้นในแบตเตอรี่จริง ๆ นั้น ความปลอดภัย และความพร้อมใช้งาน คือ ปัจจัยสำคัญที่ต้องคำนึงถึง ยกตัวอย่างเช่น ปรอท Hg .. แม้ว่า Hg จะมีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ แต่ปรอทที่ระเหยกลายเป็นไอนั้น เป็นพิษร้ายแรง และเป็นอันตรายถึงชีวิต หลังการหายใจเข้าไป มันเป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์อย่างรุนแรง ไม่เพียงแต่ในระหว่างการผลิต และการใช้งานเท่านั้น แต่ยังก่อให้เกิดความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมในระยะยาวอีกด้วย .. อีกตัวอย่างหนึ่ง คือ โลหะอัลคาไล Rb และ Cs เป็นธาตุที่มีปฏิกิริยารุนแรง มันอาจดูเหมาะสมอย่างมาก แต่สารเคมีเหล่านี้ มีราคาแพงเกินไปที่จะนำไปใช้เป็นวัสดุหลักของแบตเตอรี่ในอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่โลหะเหลวในเชิงพาณิชย์ ..
ดังนั้น การเลือกโลหะ หรือโลหะผสมที่เหมาะสมเป็นอิเล็กโทรดของเหลว ที่ใช้งานได้จริงในแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery ควรคำนึงถึงองค์ประกอบ ความพร้อมใช้งาน และความปลอดภัย .. นอกจากนี้ ค่าใช้จ่าย และปริมาณสำรองในธรรมชาติ ก็เป็นตัวกำหนดความเป็นไปได้ในการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ที่ออกแบบมาด้วย .. อย่างไรก็ตาม โลหะผสมหลอม Fusible Metallic หลายชนิดได้ถูกทดสอบในห้องปฏิบัติการในการคัดกรองอิเล็กโทรดด้วยผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยม โดยเฉพาะการประยุกต์ใช้เป็นระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ในอนาตคอันใกล้สำหรับแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียนบนโครงข่ายระบบสายส่ง ซึ่งแน่นอนว่า มันจะแพงเกินไปไม่ได้ ..
การคาดการณ์ตลาดแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery ..
ตลาดแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery รุ่นล่าสุดจากนี้ไป คาดหมายว่า จะมีมูลค่าตลาด 6,700 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2570 ทั่วโลก จาก 3,500 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2563 และเชื่อมั่นว่า มันจะเติบโตที่ค่า CAGR มากกว่า 11.2 % ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ คือ ปี 2564 – 2570 ..
การพัฒนาชุดแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery Packs เป็นแนวทางใหม่ในการแก้ปัญหาการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าบนโครงข่ายระบบสายส่ง หรือในระดับกริดไฟฟ้า .. ด้วยความจุของแบตเตอรี่โลหะเหลว การผนวกรวมการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน เข้ากับระบบโครงข่ายไฟฟ้านั้น จะทำให้ได้ศักยภาพของระบบพลังงานสะอาดเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ เชื่อว่าแบตเตอรี่โลหะเหลว จะเพิ่มความเสถียรบนระบบกริดไฟฟ้า พวกเขายังมีแนวโน้มที่จะชดเชยความต้องการคุณสมบัติในการส่ง การสร้าง และการกระจายกำลังไฟฟ้าของระบบกริดเพิ่มเติม ตลาดแอปพลิเคชันแบตเตอรี่โลหะเหลว มีการแข่งขันที่สมเหตุสมผล โดยมีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องที่มุ่งเป้าไปสู่การใช้งานสำหรับการจัดเก็บพลังงานในระบบสาธารณูปโภค ด้วยการเติบโตอย่างรวดเร็ว ..
แบตเตอรี่โลหะเหลวรุ่นต่อไปทั่วโลก มีแนวโน้มพร้อมเติบโตด้วยค่า Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาด Liquid Metal Batteries ที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR มากกว่า 11 % จากปี 2564 ถึง 2570 .. มูลค่าตลาดสำหรับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่โลหะเหลวรุ่นต่อไป มีมูลค่า 3,500 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ทั่วโลกในปี 2563 และด้วยการยอมรับที่เพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ ความต้องการแบตเตอรี่โลหะเหลวยุคหน้าทั่วโลก คาดหมายได้ว่า จะสูงถึง 6,700 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2570 ..
บริษัทผู้ผลิตแบตเตอรี่โลหะเหลวที่ Bill Gates ให้การสนับสนุน ได้รับเงินอุดหนุนสำหรับความมั่นคงทางธุรกิจ จำนวน 200 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ..
The Ambri Technology บริษัทแบตเตอรี่โลหะเหลวในแมสซาชูเซตส์ ได้จัดหาเงินทุนเพิ่มเติมอีก 144 ล้านเหรียญสหรัฐฯ เพื่อช่วยในเชิงพาณิชย์ และขยายระบบจัดเก็บพลังงานระยะยาวด้วยชุดแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery Packs รวมทั้งการก่อสร้างโรงงานผลิตในสหรัฐฯ ..
เงินกองทุนจำนวน 144 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ส่วนหนึ่งงมาจาก Bill Gates ซึ่งเป็นผู้ถือหุ้นรายใหญ่ที่สุดของ Ambri และเป็นผู้นำ Reliance New Energy Solar ซึ่งเป็น บริษัท ย่อยของ Reliance Industries Limited บริษัทฯ พลังงานยักษ์ใหญ่ของอินเดีย .. นอกจากนี้ ยังเกี่ยวข้องกับการระดมทุนจากกลุ่มพันธมิตรทางธุรกิจ ได้แก่ บริษัทจัดการการลงทุนสัญชาติอเมริกัน Paulson & Co และนักลงทุนรายใหม่ ได้แก่ Fortistar, Goehring & Rozencwajg Associates และ Japan Energy Fund อีกด้วย ..
“การจัดหาเงินทุนนี้ จะสนับสนุนการเติบโตเชิงพาณิชย์ของบริษัทฯ และเทคโนโลยีของเรา” Dan Leff ประธานกรรมการบริหารของ Ambri กล่าว ..
“นอกจากนี้ กองทุนเหล่านี้ จะเป็นเครื่องมือในการขับเคลื่อนความพยายามของเราในการขยายขนาดธุรกิจ การดำเนินกิจการของบริษัท และการก่อสร้างโครงสร้างพื้นฐานด้านการผลิตของเราเพื่อตอบสนองความต้องการของลูกค้าที่ขยายตัวอย่างรวดเร็ว”
แบตเตอรี่โลหะเหลวของ Ambri ถือเป็นเทคโนโลยีพลิกโฉมเปลี่ยนเกม Game Changing Technology ซึ่งประกอบด้วยแอโนดของโลหะผสมแคลเซียมเหลว Liquid Calcium Alloy Anode, อิเล็กโทรไลท์เกลือหลอมเหลว Molten Salt Electrolyte และแคโทด Cathode ที่ประกอบด้วยอนุภาคของแข็งจากธาตุพลวง Antimony ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยให้สามารถใช้วัสดุที่มีต้นทุนต่ำ และมีกระบวนการประกอบเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ค่อนข้างง่าย ไม่ยุ่งยากซับซ้อน ..
ความพร้อมของระบบตู้คอนเทนเนอร์ DC ที่ติดตั้งชั้นวางเซลล์ไฟฟ้าเคมีไว้ภายใน การจัดการความร้อน โครงสร้างภายนอกที่ทนทานต่อสภาพอากาศ และระบบการจัดการแบตเตอรี่ ได้ทำให้ชุดแบตเตอรี่โลหะเหลวของ Ambri เป็นระบบมาตราส่วน MWh ซึ่งเชื่อมต่อกับกริดโดยใช้มาตรฐานอุตสาหกรรม DC – AC อินเวอร์เตอร์แบบสองทิศทางด้วยความจุระหว่าง 400 kWh ถึง 1,000 kWh สูงสุด 250 kW .. ชุดแบตเตอรี่โลหะเหลวเหล่านี้ สามารถจัดเก็บกำลังไฟฟ้าได้นานตั้งแต่ 4 ถึง 24 ชั่วโมง และสามารถรองรับโครงการที่มีขนาดตั้งแต่ 10 MWh ถึง 2 GWh ได้อย่างสบาย ๆ .. มันทนทานอย่างยิ่งด้วยค่าใช้จ่ายการซ่อมบำรุงที่ต่ำมาก รวมทั้งมีอายุการใช้งานหลายสิบปีอีกด้วย ..
The Ambri Technology คาดหวังว่า ระบบแบตเตอรี่รุ่นใหม่ล่าสุด จะก้าวข้ามอุปสรรคที่มีอยู่ในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นต้นทุน อายุการใช้งาน และความปลอดภัย ได้สำเร็จ ..
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Ambri อ้างว่า อิเล็กโทรดแคลเซียม และพลวง ในเซลล์แบตเตอรี่มีต้นทุนน้อยกว่า 1/3 ของราคา ลิเธี่ยม นิกเกิล แมงกานีส และโคบอลต์ ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปในแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนสมัยใหม่ ..
ในระยะยาวเช่นกัน แบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery Packs ของ Ambri ยังช่วยลดต้นทุน และค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน การซ่อมบำรุง เนื่องจากไม่ต้องการระบบระบายความร้อน อัคคีภัย หรืออุปกรณ์ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบโมดูล และรูปแบบ Rack – Based เช่นเดียวกับการจัดวางระบบในชุดแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Battery Packs ..
สรุปส่งท้าย ..
แหล่งพลังงานไร้สายมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ สำหรับชีวิตสมัยใหม่ โดยแบตเตอรี่ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องเพื่อให้พลังงานแก่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไร้สายเหล่านี้ และให้มีภาระผูกพันน้อยที่สุด .. อย่างไรก็ตาม น่าเสียดายที่ยังไม่มี “แบตเตอรี่มหัศจรรย์ Miracle Battery” ที่รวมคุณสมบัติที่ต้องการทั้งหมดด้วยความหนาแน่นของพลังงานสูง โครงสร้างที่เบา การจัดการที่ปลอดภัย และรอบการชาร์จหลายพันรอบ ..
ระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery Packs สามารถตอบสนองความต้องการทั่วโลกสำหรับการจัดเก็บกำลังไฟฟ้าบนโครงข่ายระบบสายส่ง หรือระบบกริดไฟฟ้า ได้อย่างประสิทธิภาพ และปลอดภัยอย่างยิ่ง .. พวกมันมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ปลอดภัย และรอบการชาร์จหลายพันรอบก็จริง แต่ยังคงมีโครงสร้างน้ำหนักมากด้วยปริมาตรที่เท่ากัน จึงอาจยังไม่เหมะที่จะเป็นแหล่งพลังงานสำหรับอุปกรณ์พกพา และเนื่องจาก ปัจจุบันการผลิตแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน มีมากเกินจนล้นตลาด ทำให้ลดโอกาสสำหรับแบตเตอรี่รูปแบบต่างออกไปที่ปลอดภัยกว่า และมีอายุการใช้งานนานขึ้นสำหรับการใช้งานที่มีระยะเวลายาวนานกว่า จะเข้ามาแทนที่ในตลาดได้ในช่วงนี้ เพียงแต่อาจเข้ามาร่วมด้วยสัดส่วนในตลาดเฉพาะเท่านั้น เว้นแต่ระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่บนโครงข่ายระบบสายส่ง ซึ่งการเข้าสู่ตลาดเชิงพาณิชย์ของแบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Battery นั้น มีแนวโน้มเป็นไปได้มากที่สุด ..
จนถึงปัจจุบัน ระบบจัดเก็บพลังงานด้วยแบตชุดเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนกว่า 20 ระบบ พบอุบัติเหตุระเบิด หรือไฟไหม้ ขณะที่สำหรับแบตเตอรี่โลหะเหลวนั้น พวกมันไม่ระเบิด ไม่ติดไฟ หรือไวต่ออุณหภูมิ .. การใช้งานพวกมัน ไม่มีระดับของการชาร์จมากเกินไป Overcharging, ไม่มีการคายประจุมากเกินไป Over – Discharging, ไม่มีการลัดวงจร Short Circuiting หรือสถานการณ์การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ก่อให้เกิดความกังวลด้านความปลอดภัยใด ๆ กับเซลล์ไฟฟ้าเคมีเหล่านี้ ..
ปัจจุบัน ตัวอย่างของ Ambri ในการทำงานร่วมกับหน่วยงานชั้นนำของโลกในการพัฒนาชุดการทดสอบที่เหมาะสมเพื่อรับรองความปลอดภัยของเซลล์ไฟฟ้าเคมีของ Ambri ที่เป็นชุดแบตเตอรี่โลหะเหลว เพื่อให้มั่นใจว่า แบตเตอรี่โลหะเหลว เป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสมสำหรับการจัดเก็บไฟฟ้าขนาดใหญ่บนระบบกริดไฟฟ้า .. แบตเตอรี่โลหะเหลว เป็นรูปแบบแบตเตอรี่เพียงหนึ่งเดียวที่ส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ทั้งสามส่วนเป็นของเหลวขณะเมื่อแบตเตอรี่ทำงาน .. ชุดแบตเตอรี่โลหะเหลวเหล่านี้ ได้ปรับปรุงการผนวกทรัพยากรพลังงานทางเลือก พลังงานทดแทน และพลังงานหมุนเวียน เข้ากับโครงข่ายระบบกำลังไฟฟ้า ตลอดจนความน่าเชื่อถือของโครงข่ายสายส่งกำลังไฟฟ้าที่มีอายุมากได้อย่างยอดเยี่ยม ..
ในการศึกษาปัจจุบัน ทีมงานที่นำโดยมหาวิทยาลัยเท็กซัสแห่งออสติน University of Texas at Austin .. ศาสตราจารย์ Guihua Yu ได้พัฒนาแบตเตอรี่โลหะเหลวที่ทำงานในอุณหภูมิห้องโดยใช้แอโนดโลหะผสมโซเดียมโพแทสเซียม Sodium – Potassium Alloy Anode และแคโทดโลหะผสมที่ใช้แกลเลียม Gallium – Based Alloy Cathode .. เมื่อเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรดโลหะเหลวที่มีฐานเป็น ตะกั่ว และปรอท Lead & Mercury Based Liquid Metal Electrodes แบบเดิม ซึ่งมักใช้เพื่อชดเชยปัญหาอุณหภูมิสูงของแบตเตอรี่โลหะเหลว .. โลหะผสมรูปแบบใหม่เหล่านี้ ไม่เป็นมลพิษ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ..
กลุ่มนักวิจัย ชี้ให้เห็นได้ว่า อิเล็กโทรดโลหะในชุดแบตเตอรี่ยังคงสถานะเป็นของเหลวที่อุณหภูมิ 20 °C หรือ 68 °F ซึ่งเป็นอุณหภูมิการทำงานต่ำสุดที่เคยบันทึกไว้สำหรับแบตเตอรี่โลหะเหลว ..
การตรวจสอบแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่โลหะเหลวเหล่านี้ ให้ประสิทธิภาพ และความเสถียรในรอบการชาร์จและคายประจุที่ยอดเยี่ยม นักวิจัยกล่าวว่า แบตเตอรี่โลหะเหลวที่ทำงาน ณ อุณหภูมิห้อง สามารถให้กำลังไฟฟ้าได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนปัจจุบัน พวกมันสามารถชาร์จ คายประจุ และจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้เร็วกว่าหลายเท่า .. ดังนั้น จึงได้รับการคาดหมายว่า ความสำเร็จในเชิงพาณิชย์กำลังใกล้จะมาถึง ซึ่งส่งผลให้แบตเตอรี่โลหะเหลว Liquid Metal Batteries อาจเป็นหนึ่งในตัวเปลี่ยนโลกไปสู่ บ้านเมือง ชุมชน และสังคมเศรษฐกิจพลังงานสะอาด ให้เป็นจริงได้ในที่สุด ..
คอลัมน์ Energy Key /
By โลกสีฟ้า ..
สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)
ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-
Liquid Metal Batterie | The Ambri Technology :-
A Battery Made of Molten Metals | MIT :-
https://news.mit.edu/2016/battery-molten-metals-0112
Liquid Metal Batteries :-
https://www.mpoweruk.com/liquid_batteries.htm
Liquid – Metal Battery Developed for Smart Grid, Wearables | Lab of Guihua Yu, Walker Department of Mechanical Engineering, The University of Texas Austin :-
https://www.designnews.com/industry/liquid-metal-battery-developed-smart-grid-wearables
A Battery Made of Molten Metals :-
https://news.mit.edu/2016/battery-molten-metals-0112
Ambri Is Still Alive and Chasing Its Liquid Metal Battery Dreams :-
Biggest Battery In New England Is Unveiled In Nantucket :-
https://www.wbur.org/earthwhile/2019/10/08/nantucket-energy-storage-lithium-ion-giant-battery
Room – Temperature Liquid – Metal Battery Could Provide More Power than Lithium – Ion :-
Bill Gates – Backed Liquid Metal Battery Company Secures $A200 Million | RenewEconomy :-
Liquid Metal Batteries : The Long – Duration Energy Storage :-
