วันพฤหัสบดี, มีนาคม 28, 2024
หน้าแรกCOLUMNISTSNanowire Batteries ขั้นต่อไปในวิวัฒนาการของแบตเตอรี่
- Advertisment -spot_imgspot_img
spot_imgspot_img

Nanowire Batteries ขั้นต่อไปในวิวัฒนาการของแบตเตอรี่

Nanowire Batteries : The Next Step in Battery Evolution

“….แบตเตอรี่นาโนไวร์ New Nanowire Batteries ล่าสุด ช่วยให้แบตเตอรี่ มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ Battery Technology ที่มีใช้งานอยู่ทั่วไปในปัจจุบัน …”

การพัฒนาแบตเตอรี่ให้สมบูรณ์แบบนั้น เป็นกระบวนการที่ยาวนาน และยากลำบาก .. พัฒนาการสำหรับระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ที่ผ่านมายังเป็นที่สงสัยมาโดยตลอดว่า เทคโนโลยีนาโนไวร์ Nanowire Technology นี้ จะสามารถเข้ามาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries ที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมปัจจุบันได้หรือไม่ จนกระทั่งความก้าวหน้าในวันนี้มาถึง ..

Graphene & Gold Nanowire, The Future of Battery Tech Looks Promising  | Credit : Rice University / University of California Irvine

ปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries มีความสามารถในการจัดเก็บพลังงานต่อน้ำหนักอยู่พอสมควร แม้ว่าจะมีข้อกำหนดในการชาร์จที่ค่อนข้างซับซ้อน แน่นอนว่า แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries ไม่ได้สมบูรณ์แบบ แต่ก็ดีเพียงพอสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาเกือบจะแทบทุกรูปแบบในปัจจุบัน .. อย่างไรก็ตามจากนี้ไป คาดหมายว่า Nanowire Batteries อาจจะเข้ามาแทนที่ความนิยมของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries ได้สำเร็จในที่สุด ..

Nanowires คือ ลวดขนาดเล็ก กว้างเพียงนาโนเมตร Nanometers และเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางควอนตัมกลศาสตร์ Quantum Mechanics เนื่องจากขนาดของพวกมัน .. นักวิจัยจาก University of California Irvine: UC Irvine ได้สร้างแบตเตอรี่โดยใช้ลวดนาโนทองคำ Gold Nanowires ซึ่งสามารถเข้าถึงรอบการคายประจุ Discharge Cycles ได้กว่า 200,000 รอบ ด้วยประสิทธิภาพการจัดเก็บประจุไฟฟ้าถึง 94-96% .. สิ่งนี้ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries เนื่องจากโดยทั่วไปแล้ว Lithium-Ion Batteries จะมีอายุการใช้งานเพียงประมาณ 500+ รอบการชาร์จ และคายประจุ Charge & Discharge Cycles เท่านั้น ซึ่งทำให้ Nanowire Batteries น่าสนใจอย่างยิ่ง ..

อีกตัวอย่างที่โดดเด่น ได้แก่ บริษัท Amprius ในแคลิฟอร์เนีย สหรัฐฯ ใช้เทคโนโลยีซิลิคอนนาโนไวร์ Silicon Nanowire Anode Technology ที่แอโนด หรือขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries พร้อมไปกับการแก้ปัญหาการบวมแตกของซิลิกอน โดยทำให้ซิลิคอนขยาย และหดตัวได้ภายในโครงสร้างเชิงกลที่แข็งแรงมาก .. การประยุกต์ใช้ซิลิคอนนาโนไวร์ Silicon Nanowires แทนที่วัสดุที่ใช้เป็นขั้วบวกเดิมของแบตเตอรี่ลิเธี่ยม Lithium Batteries ส่งผลให้ความหนาแน่นพลังงานทั้งต่อปริมาตร และต่อน้ำหนัก เพิ่มขึ้นแตะระดับ 1,200 Wh/L และ 450 Wh/Kg ในเซลล์ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Cells ด้วยรอบการชาร์จ และคายประจุ Charge & Discharge Cycles หลายพันรอบ รวมถึงการชาร์จประจุไฟฟ้าอย่างรวดเร็วภายในเวลาไม่ถึง 10 นาที ทำให้เกิดนวัตกรรม และแอปพลิเคชันใหม่ ๆ ขึ้นอีกมากมายสำหรับการประยุกต์ใช้งานที่หลากหลาย ซึ่งแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Batteries ทั่วไปในตลาดไม่เคยทำได้มาก่อนเช่นกัน ..

Amprius Si Nanowire Anode Li-Ion Cells & Energy Density Comparison | Credit : Amprius

เช่นเดียวกับแนวคิดการประยุกต์ใช้กราฟีน Graphene และท่อนาโน Nanotubes ในชุดแบตเตอรี่ด้วยการให้พื้นที่ผิวต่อปริมาตรของตัวนำไฟฟ้า และสารกึ่งตัวนำไฟฟ้า เพิ่มขึ้นยิ่งมากยิ่งดี เนื่องจากเส้นลวดนาโน Nanowires มีขนาดเล็กมาก ความสามารถในการบรรลุพื้นที่ผิวได้มากขึ้นด้วยปริมาตรที่น้อยลง และนี่ทำให้พวกมันสามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้มากขึ้น และรวดเร็วขึ้น ..

อย่างไรก็ตาม Nanowires มีปัญหากับความเสถียรของรอบการชาร์จ หรือการแตกของ Nanowires เมื่อมีการชาร์จซ้ำ ๆ .. อย่างไรก็ตาม โลหะออกไซด์ Metal Oxides ถูกนำมาใช้แบบผสมผสานเพื่อช่วยต่อสู้กับปัญหานี้ และนักวิจัยที่ University of California Irvine : UC Irvine ลงเอยด้วยการใช้แมงกานีสออกไซด์ Manganese Oxide ควบคู่ไปกับอิเล็กโทรไลต์โพลีเจล Poly Gel Electrolyte ที่เป็น Methyl Methacrylate : C5H8O2 เพื่อให้ได้มาซึ่งรอบการคายประจุ Discharge Cycles จำนวนมาก ..

การผสมผสานทางเคมีไฟฟ้าลักษณะนี้ ช่วยให้ Nanowires มีเสถียรภาพมากขึ้น เนื่องจากต้านทานการแตกหักจากการชาร์จ และการคายประจุซ้ำ ๆ แม้ว่าลวดนาโนทองคำ Gold Nanowires ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าดีที่สุดในกรณีนี้ก็ตาม .. ทั้งนี้ นอกจากการทดลองใช้กับลวดนาโนทองคำ Gold Nanowires และซิลิคอนนาโนไวร์ Silicon Nanowires แล้ว พวกเขายังทดสอบกับลวดนาโนลิเธี่ยม Lithium Nanowires ด้วย ซึ่งให้ความเสถียรค่อนข้างน้อยกว่า ..

ทุกวันนี้ แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries มีใช้งานอยู่ทั่วไปในเทคโนโลยีมือถือ หรืออุปกรณ์พกพา Mobile Technologies ทุกรูปแบบ แต่มีอายุการใช้งานค่อนข้างต่ำ .. แบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือ Cell Phone Batteries มีอายุการใช้งานเพียง 1 ปี ก่อนที่ศักยภาพความจุของการชาร์จประจุไฟฟ้าจะเริ่มลดลง .. ผู้บริโภค ต้องซื้อแบตเตอรี่ภายนอกในรูปแบบของกล่องเคส หรือ Power Bank เพื่อใช้งานอุปกรณ์ให้คุ้มค่าก่อนที่จะซื้อโทรศัพท์เครื่องใหม่ .. แล็ปท็อป Laptops อาจต่างออกไปในเรื่องอายุการใช้งานแบตเตอรี่ แหล่งพลังงานจากแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวช่วยให้พวกมันทำงานได้เพียงไม่กี่ชั่วโมง อย่างไรก็ตาม เมื่ออายุมากขึ้น การเปลี่ยนแบตเตอรี่สำหรับ Laptops อาจมีราคาไม่แพงมากนัก ..

ทั้งนี้ แบตเตอรี่นาโนไวร์ Nanowire Batteries สามารถแก้ไขปัญหาทั้งหมดนี้ได้ เนื่องจากมีอายุการใช้งานยาวนานมาก มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมากที่แบตเตอรี่นาโนไวร์ Nanowire Batteries สามารถเพิ่มอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ หรืออุปกรณ์พกพาทั้งหมดได้ เนื่องจากแบตเตอรี่ประเภทนี้ ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนเป็นเวลาหลายทศวรรษ .. แต่แนวคิดนี้ยังมิได้ถูกดึงออกมาใช้มากนัก และแม้ว่าซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ Supercapacitors จะมีความเร็วในการชาร์จที่ยอดเยี่ยม แต่ก็ไม่สามารถแทนที่แบตเตอรี่รูปแบบเดิมได้ในเร็ว ๆ นี้ เนื่องจากพลังงานที่ถูกจัดเก็บมีปริมาณไม่มากพอเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมทั่วไป Traditional Lithium Batteries ..

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่นาโนไวร์ Nanowire Batteries มีแนวโน้มที่จะเป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่รุ่นต่อไปที่ได้รับการคาดหมายว่าจะสามารถครองตลาด และกลายเป็นโอกาสทางธุรกิจที่น่าสนใจได้จากนี้ไป .. ทั้งนี้ ตามที่นักวิจัยของ UC Irvine ระบุไว้ว่า แบตเตอรี่ลวดนาโนทองคำ Gold Nanowire Batteries จะมีราคาค่อนข้างแพง แต่อาจเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนจากทอง Gold ด้วยการหันไปใช้นิกเกิล Nickel หรือซิลิกอน Silicon แทน และยังคงรักษารอบการชาร์จจำนวนมากไว้ได้ .. อย่างไรก็ตาม จะต้องมีการทดสอบทดลอง Nickel Nanowires และ Si-Nanowires ต่อไปอีกสักระยะหนึ่งก่อนจะนำเข้าสู่ตลาดได้อย่างมั่นใจในคุณภาพด้วยราคาที่ถูกกว่า ..

นาโนไวร์ Nanowires และนาโนทิวบ์ Nanotubes เส้นใย และกระบอกบางยาวขนาดเล็ก ..

Nanowires & Nanotubes คือ เส้นใย และกระบอกยาวบางขนาดเล็ก Tiny Filaments & Cylinders ซึ่งได้รับการศึกษาวิจัยเพื่อการใช้งานที่เป็นไปได้ในด้านพลังงาน Energy, อิเล็กทรอนิกส์ Electronics, ออปติก Optics และสาขาอื่น ๆ อีกมากมาย ..

เส้นลวดนาโน Nanowires และท่อนาโน Nanotubes โครงสร้างเรียวเหล่านี้ มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงหนึ่งในพันล้านส่วนของ 1 เมตร หรือ Nanometer : 10-9 Meter แต่ยาวกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางหลายพัน หรือหลายล้านเท่า ได้กลายเป็นวัสดุภาคพลังงานที่ร้อนแรงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา .. พวกมัน มีอยู่ในหลายรูปแบบ และเป็นวัสดุที่ทำขึ้นได้จากโลหะ Made of Metals, เซมิคอนดักเตอร์ Semiconductors, ฉนวน Insulators และสารประกอบอินทรีย์ Organic Compounds .. ทั้งนี้ ผู้เชี่ยวชาญจากหลายสถาบัน กำลังมีการศึกษาวิจัยพวกมันอย่างมุ่งมั่นเพื่อใช้พวกมันในเชิงพาณิชย์สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การจัดเก็บพลังงาน อุปกรณ์เกี่ยวกับการตรวจรับแสง และสารเคมี รวมถึงสาขาอื่น ๆ ..

การค้นพบครั้งแรกของท่อนาโนคาร์บอน Carbon Nanotubes ซึ่งเป็นหลอดคาร์บอนบริสุทธิ์ขนาดเล็ก ทั้งนี้ โดยพื้นฐานแล้ว คือ แผ่นกราฟีนที่รีดม้วนขึ้นไปเป็นทรงกระบอก Graphene Rolled up unto a Cylinder .. โดยทั่วไปให้เครดิตกับบทความที่ตีพิมพ์ในปี 2534 โดยนักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่น ซูมิโอะ อิจิมะ Sumio Ijima แม้ว่าท่อนาโนคาร์บอนบางรูปแบบเคยพบเห็นมาก่อนแล้วก็ตาม .. เกือบจะในทันที เกิดความสนใจอย่างมากในรูปแบบที่แปลกใหม่ของวัสดุธรรมดาเหล่านี้ ทั้งนี้ ในระยะต่อมาเส้นลวดนาโน Nanowires หรือเส้นใยผลึกที่เป็นของแข็ง Solid Crystalline Fibers กลับได้รับสนใจอย่างมากแทนที่จะเป็นหลอดกลวง Hollow Tubes หรือ Nanotubes ที่คล้ายกันในไม่กี่ปีต่อมา ..

เนื่องจากความเพรียวบางสุดขั้ว ทั้งท่อนาโน Nanotubes และสายนาโน Nanowires จึงมีมิติเดียว .. Silvija Gradecak รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์ และวิศวกรรมศาสตร์ของ Massachusetts Institute of Technology : MIT กล่าวว่า “วัสดุเหล่านี้ เป็นวัสดุคล้ายหนึ่งมิติ Quasi-One-Dimensional Materials” และ “สองมิติของพวกมัน อยู่ในมาตราส่วนนาโนเมตร Nanometer Scale” หนึ่งมิตินี้ ให้คุณสมบัติทางไฟฟ้า และแสงที่โดดเด่นอย่างยิ่ง ..

Roll Up Nanowire Battery from Silicon Chips | Credit : PNAS

Silicon NW Anode | Credit: Amprius

คุณสมบัติสำคัญประการหนึ่ง หมายความว่า อิเล็กตรอน และโฟตอน ในการทดลองกับเส้นนาโน Nanowires เหล่านี้ คือ “ปฏิกิริยาจากผลการกักขังควอนตัม Quantum Confinement Effects” รองศาสตราจารย์ Gradecak กล่าว และยังแตกต่างจากวัสดุอื่น ๆ ที่สร้าง Quantum Effects เช่น Quantum Dots .. ความยาวของสายนาโน Nanowires ทำให้สามารถเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ขนาดสัดส่วนใหญ่กว่าอื่น ๆ Other Macroscopic Devices ที่มองเห็นในโลกภายนอกได้ ..

โครงสร้างของเส้นลวดนาโน Structure of a Nanowire นั้น เรียบง่ายมากจนไม่มีที่ว่างสำหรับข้อบกพร่อง และอิเล็กตรอนจะผ่านไปได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง .. รองศาสตราจารย์ Silvija Gradecak อธิบายเพิ่มเติมว่า สิ่งนี้ก้าวข้ามปัญหาสำคัญของผลึกเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไป หรือผลึกสารกึ่งตัวนำเช่นที่ทำจากแผ่นเวเฟอร์ของซิลิคอน Wafer of Silicon ซึ่งเดิมมีข้อบกพร่องในโครงสร้างเหล่านี้อยู่เสมอ และข้อบกพร่องเหล่านั้น รบกวนทางเดินทางของอิเล็กตรอน Passage of Electrons ..

พวกมัน ผลิตขึ้นได้จากวัสดุที่หลากหลาย .. นาโนไวร์ Nanowires สามารถ “ปลูก Grown” บนพื้นผิวที่แตกต่างกันจำนวนมากผ่านกระบวนการ Vapor Deposition Process เช่นจากเม็ดเล็ก ๆ ของทองคำหลอมเหลว Tiny Beads of Molten Gold หรือโลหะอื่น ๆ ที่วางอยู่บนพื้นผิว .. วัสดุลวดนาโน Nanowire Material ในรูปของ Vapor จะถูกดูดซับโดยทองหลอมเหลว ซึ่งในที่สุดก็เติบโตจากด้านล่างของเม็ดทองขึ้นเป็นเสาที่บางของวัสดุ .. การเลือกขนาดของเม็ดโลหะ ทำให้สามารถควบคุมขนาดของเส้นลวดนาโนที่ได้อย่างแม่นยำ ..

นอกจากนี้ วัสดุที่ปกติไม่ผสมกันได้ง่ายสามารถปลูกให้เติบโตรวมกันในรูปแบบเส้นลวดนาโน Nanowire Form ได้ ตัวอย่างเช่น ชั้นของซิลิกอน Silicon และเจอร์เมเนียม Germanium ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย 2 ชั้น “ยากมากที่พวกมันจะเติบโตไปด้วยกันในฟิล์มบาง” รองศาสตราจารย์ Silvija Gradecak กล่าว “แต่ในกรณีรูปแบบสายนาโน Nanowire Form พวกมันสามารถเติบโตได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ” .. นอกจากนี้ อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับกระบวนการ Vapor Deposition ประเภทนี้ ยังมีใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ Semiconductor Industry และสามารถปรับใช้ให้เข้ากับกระบวนการผลิตสายนาโน Production of Nanowires ได้อย่างง่ายดาย ..

แม้ว่าเส้นผ่าศูนย์กลางของเส้นลวดนาโน Nanowires และท่อนาโน Nanotubes จะเล็กมาก แต่ความยาวของลวดเหล่านี้ สามารถขยายได้หลายร้อยไมโครเมตร Hundreds of Micrometers แม้กระทั่งความยาวที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า .. ไม่มีวัสดุอื่นใดที่สามารถผลิตอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่าศูนย์กลางได้มากเช่นนี้ ซึ่งพวกมันมีความยาวมากกว่าความกว้างได้หลายล้านเท่า ..

ด้วยเหตุนี้ เส้นลวดนาโน Nanowires จึงมีอัตราส่วนพื้นที่ผิวต่อปริมาตรที่สูงมาก นั่นทำให้พวกมันเป็นสุดยอดตัวนำไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม เพราะพื้นที่ผิวทั้งหมดนั้นสามารถเกาะจับกับโมเลกุลทางเคมี หรือโมเลกุลทางชีวภาพที่เฉพาะเจาะจงได้ .. สัญญาณไฟฟ้า และกำลังไฟฟ้าที่เกิดจากการเชื่อมต่อนั้น สามารถส่งผ่านไปตามสายได้อย่างง่ายดายอีกด้วย ..

เมื่อเทียบกับสายนาโนที่เป็นของแข็ง Solid Nanowires แล้ว ท่อนาโน Nanotubes มีโครงสร้างที่ซับซ้อนมากกว่า โดยพื้นฐานแล้ว คือ แผ่นคาร์บอนบริสุทธิ์หนาหนึ่งอะตอม One-Atom-Thick Sheets of Pure Carbon โดยมีอะตอมจัดเรียงในรูปแบบที่คล้ายกับลวดไก่ พวกมันมีพฤติกรรมหลายอย่างเป็นวัสดุที่มีมิติเดียว แต่จริง ๆ แล้ว พวกมัน คือ ท่อกลวงขนาดนาโนเมตรที่ยาวนั่นเอง ..

คุณสมบัติของท่อนาโนคาร์บอน Carbon Nanotubes อาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวิธีการรีดม้วน ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่า Chirality คล้ายกับความแตกต่างระหว่างการขึ้นรูปท่อกระดาษโดยการม้วนแผ่นกระดาษตามยาว กับแนวทแยง .. การเรียงตัวกันของเส้นใยในกระดาษ ทำให้เกิดความแข็งแรงต่างกัน ในกรณีของท่อนาโนคาร์บอน Chirality นั้น สามารถกำหนดได้ ไม่ว่า Nanotubes นั้นจะมีพฤติกรรมเหมือนเช่น โลหะ หรือสารกึ่งตัวนำก็ตาม ..

แต่ต่างจากการควบคุมการผลิตที่แม่นยำซึ่งเป็นไปได้ดีกว่าด้วยสายนาโน Nanowires .. จนถึงปัจจุบันนี้ วิธีการผลิตท่อนาโน Nanotubes จะผลิตในรูปแบบผสมด้วยการสุ่ม Random Mix of Types ซึ่งต้องแยกประเภทเพื่อใช้ชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเฉพาะ .. ทั้งนี้ นอกจากท่อนาโน Nanotubes ที่มีผนังด้านเดียวแล้ว พวกมันยังมีอยู่ในรูปแบบที่มีผนังสองชั้น และผนังหลายชั้นอีกด้วย ..

นอกจากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ และทางแสง Electronic & Optical Properties ที่มีประโยชน์แล้ว ท่อนาโนคาร์บอน Nanotubes และเส้นลวดนาโน Nanowires ได้กลายเป็นเสมือนขั้นตอนต่อไปที่สำคัญในวิวัฒนาการของแบตเตอรี่ เพื่อมุ่งการเปลี่ยนผ่านไปสู่ระบบพลังงานสะอาดสีเขียว Green Energy Transition ของมนุษยชาติ .. พวกมัน มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ และถูกใช้เป็นเส้นใยเสริมแรงในวัสดุคอมโพสิตขั้นสูงสำหรับการใช้งานสำคัญในหลากหลายรูปแบบ ซึ่งทั้งท่อนาโนคาร์บอน Nanotubes และสายนาโน Nanowires สามารถสร้างประโยชน์ได้อย่างมาก โดยเฉพาะการพัฒนาระบบจัดเก็บพลังงานสำหรับสังคมคาร์บอนต่ำในอนาคตจากนี้ไปให้สำเร็จได้ในที่สุด ..

Nanowire Batteries วิธีที่ดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมบนยานยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicles : EVs ..

ในขณะที่ผู้ผลิตรถยนต์ และผู้ผลิตเซลล์แบตเตอรี่ ต่างแข่งขันแย่งพื้นที่กันเพื่อพัฒนาแบตเตอรี่ EVs ที่มีประสิทธิภาพ และคุ้มค่ามากขึ้น มีวัสดุหนึ่งชนิดที่ได้รับแรงฉุดกระชากอย่างมากในการเปลี่ยนกราไฟต์ในแอโนด Graphite in the Anode นั่นคือ ซิลิกอน Silicon ..

ตัวอย่างของ OneD Battery Sciences ซึ่งเป็นบริษัทสตาร์ทอัพในแคลิฟอร์เนีย ได้ผลิตสายนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires ที่สามารถหลอมรวมเข้ากับอนุภาคกราไฟต์เชิงพาณิชย์ Commercial Graphite Particles ที่พบในขั้วบวกของแบตเตอรี่ Anodes of Batteries ได้โดยตรง ..

Silicon NW Anode | Credit: Amprius

การประยุกต์ใช้ Silicon Nanowires ที่ขั้วบวกของแบตเตอรี่ EVs ส่งผลความหนาแน่นพลังงานของขั้วบวกเพิ่มขึ้น 3 เท่า ลดเวลาในการชาร์จประจุไฟฟ้า และลดต้นทุนรวมของชุดแบตเตอรี่บนยานยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicles : EVs ทำให้ราคา EVs ในตลาดปลายทางลดลงอยู่ในระดับที่เหมาะสมได้ ..

ผลการวิจัยโดยห้องปฏิบัติการ PNNL Laboratory พบว่า ซิลิคอน Silicon มีความจุพลังงานทางทฤษฎีสูงกว่ากราไฟต์ Graphite ถึง 10 เท่า และสามารถดูดซับไอออนของลิเธี่ยม Lithium-Ions ได้เร็วกว่ามากในระหว่างการชาร์จ ซึ่งช่วยลดระยะเวลาในกระบวนการ .. ด้วยเหตุผลดังกล่าว บริษัทฯ และผู้ผลิตรถยนต์หลายแห่ง จึงตรวจสอบ และประเมินการใช้ซิลิคอนในขั้วบวก Silicon in the Anode ขณะที่เทสลา Tesla และปอร์เช่ Porsche กำลังทดลองผสมวัสดุ Silicon จำนวนหนึ่งกับกราไฟต์บนแบตเตอรี่ในรถยนต์ รุ่น Model Y และ Taycan ตามลำดับ ..

แต่การเพิ่มซิลิกอนลงในแอโนดนั้น มาพร้อมกับความท้าทายบางประการ .. แนวโน้มของวัสดุที่จะขยายตัวประมาณ 400% ของขนาดเดิมในระหว่างรอบการชาร์จ อาจทำให้อนุภาคซิลิกอน Silicon Particles แตกร้าว และสามารถทำลายชั้นของอินเทอร์เฟซอิเล็กโทรไลต์ Solid Electrolyte Interface ที่เป็นของแข็ง ซึ่งขัดขวางการเหนี่ยวนำไอออนของลิเธี่ยม และการไหลของกระแสไฟฟ้า และสิ่งนี้นำไปสู่การสูญเสียพลังงาน และการเสื่อมสภาพของชุดแบตเตอรี่ ..

จนเมื่อ Vincent Pluvinage, CEO ของสตาร์ทอัพ OneD Battery Sciences ชี้ให้เห็นว่า เม็ดอนุภาคซิลิกอน Silicon Particles ได้รับการพิสูจน์ชัดเจนว่ายังมีข้อจำกัด เนื่องจากต้นทุนการผลิตสูง และขาดความเข้ากันได้กับห่วงโซ่อุปทาน EVs ที่กว้างขวางขึ้น .. ดังนั้น คำตอบ และข้อไขของบริษัท OneD Battery Sciences สำหรับการแก้ปัญหานี้นั้น คือ ลวดนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires .. ทั้งนี้ บริษัทฯ ได้พัฒนาแพลตฟอร์มพิเศษที่เรียกว่า Sinanode ซึ่งยึดสายลวดนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires เข้ากับขั้วบวกด้วยความช่วยเหลือของไซเลน Silane, ไนโตรเจน Nitrogen และไฟฟ้า Electricity ..

กระบวนการนี้ให้ประโยชน์หลัก 3 ประการ ได้แก่ ประการที่หนึ่ง ในระหว่างรอบการชาร์จ ลวดนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires ยังคงยืดหยุ่น และไม่แตกหักเหมือนเช่น เม็ดอนุภาคซิลิกอน Silicon Particles .. ประการที่สอง ด้วยสายลวดนาโนหลายแสนเส้นบนแต่ละอนุภาคกราไฟท์ Hundreds of Thousands of Wires on each Graphite Particle พบว่า สายลวดนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires จะสามารถให้ความหนาแน่นพลังงานของแอโนด Energy Density of the Anode เพิ่มขึ้น 3 เท่า และ ประการที่สาม อัตราส่วนซิลิกอนต่อกราไฟท์ Silicon-to-Graphite Ratio ที่มากขึ้น จะช่วยลด CO2 ที่ถูกสร้างขึ้นต่อความจุ KWh สำหรับการผลิตชุดแบตเตอรี่ ..

คุณลักษณะที่ทำให้ Sinanode หรือลวดนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires ของบริษัท OneD Battery Sciences โดดเด่นอย่างแท้จริง คือ ศักยภาพในการขยายเทคโนโลยีโดยใช้กระบวนการซัพพลายเชน Supply Chain Processes ที่มีอยู่ ..

Pluvinage อธิบายยืนยันว่า “สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่า โรงงานผลิตยานยนต์ไฟฟ้า EV Factories ที่มีอยู่ก่อนแล้วจะได้รับประโยชน์จากกราไฟท์ที่เสริมซิลิกอน Silicon-Enhanced Graphite โดยซัพพลายเออร์ชั้นนำที่ผ่านการรับรองแล้วเช่นกัน รวมทั้งสามารถใช้วิธีการเตรียมสารละลาย และเทคนิคการเคลือบขั้วแอโนดแบบเดียวกันที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว” ..

ปัจจุบันเทคโนโลยี Sinanode พร้อมใช้งานสำหรับ OEMS ผ่านโครงการผลิตนำร่องโดยเฉพาะ ในขณะที่คาดว่าจะมีการผลิตเชิงพาณิชย์อย่างสมบูรณ์ได้ ภายในปี 2568 ..

โดยภาพรวมแล้ว หากสายนาโนซิลิกอน Silicon Nanowires พิสูจน์ได้ว่า สามารถนำเข้าสู่ตลาด และประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ได้ บางทีเทคโนโลยี Nanowire Batteries จะได้กลายเป็นขั้นต่อไปในวิวัฒนาการของแบตเตอรี่ ซึ่งอาจเปลี่ยนโครงสร้างไฟฟ้าเคมีในชุดแบตเตอรี่บนยานยนต์ไฟฟ้า Electrical Vehicles: EVs ทั้งหมดโดยสิ้นเชิงไปตลอดกาล ..

คาดการณ์ตลาดแบตเตอรี่นาโนไวร์ทั่วโลก Global Nanowire Batteries Market ..

ขนาดธุรกิจในตลาดแบตเตอรี่นาโนไวร์ทั่วโลก Global Nanowire Batteries Market มีมูลค่า 53 ล้านเหรียญสหรัฐฯ ในปี 2564 .. คาดว่าจะมีมูลค่า 67.5 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ในสิ้นปี 2565 และได้รับการคาดหมายว่าจะสูงแตะระดับ 292.72 พันล้านเหรียญสหรัฐฯ ภายในปี 2570 .. ทั้งนี้ อัตราการเติบโตต่อปี Compound Annual Growth Rate : CAGR หมายถึง อัตราผลตอบแทนสำหรับการลงทุนในตลาดตลาดแบตเตอรี่นาโนไวร์ทั่วโลก Global Nanowire Batteries Market ที่เติบโตจากยอดดุลเริ่มต้นไปถึงยังยอดดุลสิ้นสุด รวมสมมติฐานว่ากำไรจะถูกนำกลับมาลงทุนหมุนเวียนใหม่ทุกสิ้นปีของช่วงอายุการลงทุน อยู่ที่ค่า CAGR 34.1% ในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ 2565-2570 ..

Amprius Silicon Nanowire Battery Technology | Credit: Amprius

ตลาดแบตเตอรี่นาโนไวร์ Nanowire Battery Market สำหรับซิลิคอน Silicon ได้รับการคาดหมายว่าจะเติบโตที่ค่า CAGR สูงที่สุดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ .. ซิลิคอน Silicon ได้กลายเป็นวัสดุแอโนด Anode Material ที่มีแนวโน้มมากที่สุด เนื่องจากมีคุณสมบัติทางไฟฟ้าเคมีในการเก็บประจุที่สูงกว่า รวมทั้งความสามารถในการคายประจุที่เหมาะสม และต้นทุนต่ำ ..

ซิลิคอน Silicon ช่วยให้ชาร์จประจุได้รวดเร็ว และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries .. ความต้องการอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้น และเวลาในการชาร์จที่เร็วขึ้น คือ แนวโน้มที่เพิ่มขึ้นในระบบนิเวศของตลาดแบตเตอรี่ที่มีอยู่ปัจจุบันต่อเนื่องสู่อนาคต ..

นอกจากนี้ การเติบโตของตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา และการย่อขนาดของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค Electric Mobility & Miniaturization of Consumer Electronics ได้สร้างความต้องการเร่งด่วนในระบบการจัดเก็บพลังงานขั้นสูงสำหรับชุดแบตเตอรี่ขนาดต่าง ๆ ..

ตลาดแบตเตอรี่นาโนไวร์ในอุตสาหกรรมอุปกรณ์ทางการแพทย์ Nanowire Battery Market in Medical Devices Industry คาดว่าจะเติบโตที่ CAGR สูงสุดในช่วงระยะเวลาคาดการณ์ ซึ่งปัจจุบัน นวัตกรรมใหม่ ๆ กำลังเกิดขึ้นต่อเนื่องในอุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพ ..

อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ใช้แบตเตอรี่ขั้นสูง เช่น เครื่องกระตุ้นหัวใจ และเครื่องช่วยฟัง ได้รับการออกแบบมาเพื่อปรับปรุงสุขภาพโดยรวม และความเป็นอยู่ที่ดีของผู้ใช้ อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ฝังตัวในร่างกายเหล่านี้ ใช้แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries เป็นแหล่งพลังงานซึ่งมีอยู่เป็นจำนวนมาก ทั้งนี้ ยังมีประเด็นปัญหาด้านความปลอดภัยให้กับผู้ป่วยอยู่ ..

Nanowire Batteries นั้น เบากว่า ปลอดภัยกว่า และมีความหนาแน่นของพลังงานมากกว่า .. ดังนั้น คาดหมายได้ว่า Nanowire Batteries จะเข้ามาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries สำหรับอุปกรณ์ฝังเทียมในร่างกายของมนุษย์ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ..

อย่างไรก็ตาม พลวัตของตลาด Market Dynamics คือ แรงที่ส่งจากผลกระทบเรื่องราคา และพฤติกรรมของผู้มีส่วนได้ส่วนเสียในตลาดแบตเตอรี่ Nanowires ทั่วโลก .. แรงผลักเหล่านี้ เป็นตัวกำหนดราคาซึ่งเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงอุปสงค์ และอุปทานสำหรับผลิตภัณฑ์ หรือบริการ .. แรงขับเคลื่อนของ Market Dynamics อาจเกี่ยวข้องกับปัจจัยเศรษฐกิจมหภาค และจุลภาค มีกลไกตลาดแบบไดนามิกนอกเหนือจากราคา อุปสงค์ และอุปทาน ของผู้คนซึ่งสามารถขับเคลื่อนการตัดสินใจ และมีอิทธิพลต่อตลาดอย่างมาก ..

เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของตลาดส่งผลกระทบต่ออุปสงค์ และอุปทาน .. ผู้มีอำนาจตัดสินใจทั้งภาครัฐ และเอกชนที่มีศักยภาพ จึงตั้งเป้าที่จะกำหนดวิธีที่ดีที่สุดในการใช้เครื่องมือทางการเงินต่าง ๆ เพื่อเร่งการเติบโต และลดความเสี่ยงของตลาดแบตเตอรี่นาโนไวร์ Nanowire Batteries Market ในอนาคต เพื่อเป็นหนึ่งในระบบจัดเก็บพลังงานราคาถูกทดแทนแบตเตอรี่รูปแบบมาตรฐานดั้งเดิมที่ต้องพึ่งพาแร่ธาตุหายากราคาแพง และถูกผูกขาดแหล่งวัตถุดิบด้วยเพียงไม่กี่ชาติบนโลกใบนี้เท่านั้น ..

บริษัทฯ ผู้เล่นหลักที่อ้างถึงข้อมูลต่าง ๆ ตามรายงานคาดการณ์นี้ คือ Amprius Inc, Boston Power Inc, Enevate Corp, Envia Systems Inc, Imprint Energy Inc, LG Chem, Lithium Werks, NEI Corp, Nexeon Novarials Corp, OneD Material, Panasonic, Pellion Technologies, Prieto Battery Inc, Samsung SDI, Sila Nanotechnologies Inc, Targray, XG Sciences และ Xilectric Inc เป็นต้น ..

สรุปส่งท้าย ..

การพัฒนาแบตเตอรี่ให้สมบูรณ์แบบนั้น เป็นกระบวนการที่ยาวนาน และยากลำบาก .. แบตเตอรี่นาโนไวร์ New Nanowire Batteries ล่าสุด ช่วยให้แบตเตอรี่ มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเทคโนโลยีแบตเตอรี่ Battery Technology ที่มีใช้งานอยู่ทั่วไปในปัจจุบัน .. ทั้งนี้ คาดหมายว่า ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีนาโนไวร์ Nanowire Technology ในวันนี้ จะทำให้พวกมันสามารถเข้ามาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries ที่เป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมปัจจุบันได้สำเร็จในที่สุด ..

Nanowire Batteries คือ รูปแบบของแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีที่ได้รับการพัฒนาปรับแต่งแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries ให้มีศักยภาพเพิ่มขึ้น ซึ่งมีงานวิจัยออกมาครั้งแรกตั้งแต่ปี 2550 โดย Stanford University ในสหรัฐฯ .. เทคโนโลยี Nanowire Batteries นี้ ใช้ประโยชน์จาก Silicon Nanowires หลายตัวที่เชื่อมต่อกันที่ขั้วบวก Anode ของแบตเตอรี่ .. ความก้าวหน้าด้านวัสดุศาสตร์ Nanowires ได้เพิ่มรอบการชาร์จได้ถึง 200,000 รอบ และความหนาแน่นในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าที่สูง 8-10 เท่าของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนทั่วไป ซึ่งจะทำให้ของบางสิ่ง เช่น กล้องถ่ายรูปแบบชาร์จไฟฟ้าได้ โทรศัพท์มือถือ หรือแบตเตอรี่ของแล็ปท็อป มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นมากกว่า 10 เท่า เทียบกับการใช้แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium-Ion Batteries มาตรฐานในตลาดทั่วไปก่อนที่ชุดแบตเตอรี่จะหมดอายุสิ้นสภาพลง .. อุปกรณ์ที่ใช้เสียบชาร์จ Nanowire Batteries ถูกมองว่าเป็นพัฒนาการที่สำคัญสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicles : EVs จากการชาร์จประจุที่รวดเร็วขึ้นมาก เนื่องจากทั้งพื้นที่ผิวที่เพิ่มขึ้นของเส้นลวดนาโน Nanowires และเนื่องจากการใช้ซิลิคอน Silicon ในโครงสร้างทางเคมี ..

Silicon Nanowires Promise Way Better Lithium – Ion EV Batteries | Credit: The Next Web / OneD Battery Sciences

หลักการที่อยู่เบื้องหลัง Nanowire Batteries ช่วยให้การวิจัยที่ Sandia National Laboratories ในสหรัฐฯ เช่นกันใช้ขั้วบวก Silicon Nanowires ที่มีความกว้าง 100 นาโนเมตร หรือประมาณความกว้างของเซลล์เม็ดเลือดแดงมนุษย์โดยเฉลี่ยและยาวประมาณ 10,000 นาโนเมตร หรือ 0.01 mm วัตถุประสงค์ของแบตเตอรี่นี้ซึ่งทำขึ้นด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน Transmission Electron Microscope : TEM เพื่อทำการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการผลิต Nanowires เหล่านี้ในเชิงพาณิชย์ต่อไป .. นอกจากนี้ยังมีแผนงานที่จะใช้ Nanowire Batteries ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานขนาดเล็กจิ๋ว สำหรับการปลูกถ่ายทางการแพทย์ รวมทั้งให้พลังงานแก่อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ อีกมากมาย ..

การพัฒนา Nanowire Batteries ถูกมองว่าเป็นการปฏิวัติระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ .. การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่จัดเก็บพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ใช้ซิลิกอน Silicon ดำเนินการมานานกว่า 30 ปีแล้ว ปัญหาการบวม และแตกหักของซิลิกอนนั้น คือ ข้อจำกัดสำคัญ จนกระทั่งการปรากฏตัว และความสำเร็จในการประดิษฐ์เส้นลวดนาโน Nanowires มาถึงในวันนี้ .. นักวิจัยหลักในโครงการที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด Stanford University และอีกหลายสถาบันทั่วโลก ยังคงมุ่งมั่นปรับแต่งชุดแบตเตอรี่ในยุคหน้าด้วย Nanowire Technology จากวัสดุต่างๆ อย่างต่อเนื่องต่อไป ..

ปัจจุบัน ขีดความสามารถในการยกระดับการผลิตเป็นจำนวนมากในเชิงพาณิชย์ โดยใช้ Nanowires รูปแบบต่าง ๆ รวมถึงการใช้กราฟีน Graphene และ Carbon Nanotubes ซึ่งไม่ต้องใช้อุณหภูมิสูงในการปลูก หรือผลิตขึ้นเหมือนเช่นซิลิกอนบริสุทธิ์ เพื่อเสริมสมรรถนะให้แก่แบตเตอรี่รูปแบบมาตรฐานดั้งเดิม หรือแทนที่ชุดแบตเตอรี่ที่ใช้แร่ธาตุหายากราคาแพง ได้รับการคาดหมายว่า Nanowire Batteries กำลังจะเป็นที่ต้องการในตลาด และกำลังกลายเป็นข้อไขสำคัญต่อการปฏิรูประบบพลังงานที่เป็นไปได้ โดยเฉพาะในระบบจัดเก็บพลังงานด้วยชุดแบตเตอรี่ยุคต่อไปสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดต่าง ๆ และบนยานยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicles : EVs ในอนาคตได้สำเร็จในที่สุด ..

……………………………

คอลัมน์ : Energy Key

By โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Explained: Nanowires and Nanotubes | MIT News :-

https://news.mit.edu/2013/explained-nanowires-and-nanotubes-0411#:~:text=They%20exist%20in%20many%20forms,chemical%20sensing%2C%20among%20other%20fields

Nanowire Batteries: The Next Step in Battery Evolution | EETech Media, LLC. :-

https://www.allaboutcircuits.com/news/nanowire-batteries-the-next-step-in-battery-evolution/

Nanowire Batteries | The World Needs Better Batteries | Amprius :-

The Global Nanowire Battery Market is Estimated to be USD 67.5 Bn in 2022 and is Projected to Reach USD 292.72 Bn by 2027, Growing at a CAGR of 34.1 % | Benzinga :-

https://www.benzinga.com/pressreleases/22/07/g28261790/the-worldwide-nanowire-battery-industry-is-projected-to-reach-292-billion-by-2027

Silicon Nanowires Promise Way Better Lithium – Ion EV Batteries | Thenextweb :-

https://thenextweb.com/news/silicon-nanowires-promise-better-lithium-ion-ev-batteries

Nanowire Batteries for Next Generation Electronics | Research Gate :-

https://www.researchgate.net/publication/251873823_Nanowire_batteries_for_next_generation_electronics

Semiconductor Nanowire Battery Electrodes | Research Gate :-

https://www.researchgate.net/publication/282742856_Semiconductor_nanowire_battery_electrodes

Nanowire Batteries: The Next Step in Battery Evolution :-

https://photos.app.goo.gl/XkcFmU9uL5GdJTdv5

- Advertisment -spot_img
- Advertisment -spot_imgspot_img

Featured

- Advertisment -spot_img
Advertismentspot_imgspot_img
spot_imgspot_img