นักวิจัยค้นพบ ‘AzoBiPy’ โมเลกุลเปลี่ยนโลก Redox Flow Battery เก็บไฟนานข้ามปีได้ โดยแทบไม่สูญเสียพลังงาน

ลองนึกภาพว่าพลังงานจากกังหันลมที่ผลิตได้ในช่วงฤดูร้อน สามารถเก็บไว้ใช้ในเดือนมกราคมเพื่อทำความอบอุ่นให้บ้านในช่วงหน้าหนาวได้ แนวคิดนี้อาจเป็นจริงได้แล้ว หลังจากนักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Université de Montréal ร่วมกับ Concordia University พัฒนาโมเลกุลอินทรีย์ชนิดใหม่ที่สามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้นานหลายเดือนโดยแทบไม่สูญเสียพลังงานเลย

โมเลกุลที่มีชื่อว่า AzoBiPy นี้ได้รับการทดสอบในแบตเตอรี่ Redox Flow ภายในห้องแล็บเป็นเวลา 70 วัน ผลลัพธ์ออกมาน่าทึ่งมาก โมเลกุลแสดงความเสถียรที่โดดเด่น โดยสูญเสียความจุเพียง 0.02% ต่อวันเท่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าโมเลกุลทั่วไปถึง 2 เท่า และละลายน้ำได้ดีมาก ซึ่งเป็นคุณสมบัติสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่

แบตเตอรี่ Flow คืออะไร ต่างจากแบตเทอรี่ทั่วไปอย่างไร

แบตเตอรี่ Redox Flow ทำงานต่างจากแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมอย่างสิ้นเชิง แบตเตอรี่ทั่วไป เช่น แบตลิเธียมไอออนในรถยนต์ไฟฟ้า จะเก็บประจุไว้ในอิเล็กโทรดภายในตัวแบตเตอรี่ และมักใช้โลหะเป็นส่วนประกอบหลัก

"ข้อแตกต่างของแบตเตอรี่ Redox Flow คือเราใช้สารออกฤทธิ์ที่ทำจากโมเลกุลอินทรีย์ที่มีศักยภาพต่ออายุได้ ซึ่งละลายในสารละลายน้ำและเก็บไว้นอกตัวแบตเตอรี่" ศาสตราจารย์ Dominic Rochefort อธิบาย

ระบบนี้ใช้ถังแยกกัน 2 ถังที่บรรจุสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งประกอบด้วยน้ำ กรด และโมเลกุลอินทรีย์ เชื่อมต่อด้วยท่อไปยังเซลล์กลาง ยิ่งถังใหญ่เท่าไหร่ ความจุในการเก็บพลังงานก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ภายในเซลล์จะมีเมมเบรนที่ของเหลวจากทั้งสองถังไหลผ่านโดยไม่ปะปนกัน โมเลกุลจะแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนผ่านวงจรภายนอกเท่านั้น ซึ่งเป็นจุดที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชัน (Redox) และทำให้แบตเตอรี่ชาร์จและคายประจุได้

แทนที่โลหะวาเนเดียมด้วยโมเลกุลอินทรีย์

แบตเตอรี่ Redox Flow ในเชิงพาณิชย์ที่มีอยู่ในตลาดปัจจุบันมักใช้วาเนเดียม ซึ่งเป็นโลหะที่มีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ดี แต่ไม่ใช่ทรัพยากรที่สามารถทดแทนได้ นักวิจัยจึงมุ่งหาโมเลกุลอินทรีย์มาทดแทน

"โมเลกุลอินทรีย์ที่เราพัฒนาขึ้นประกอบด้วยคาร์บอน ไฮโดรเจน ไนโตรเจน และออกซิเจน ซึ่งละลายในน้ำและกรด และถูกออกซิไดซ์เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาการเก็บพลังงาน" ศาสตราจารย์ Hélène Lebel ผู้เชี่ยวชาญด้านการสังเคราะห์อินทรีย์กล่าว

ทีมวิจัยทดสอบกลุ่มโมเลกุลต่างๆ เพื่อหาชนิดที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการเก็บพลังงาน ซึ่งนำไปสู่การสร้าง AzoBiPy สมาชิกในตระกูลไพริดิเนียม (Pyridinium) ที่มีวงอะโรมาติกมีประจุบวกซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ขณะนี้ทีมกำลังศึกษาโมเลกุลที่สกัดจากไม้หรือเศษอาหาร ซึ่งอาจทำให้สามารถดึงโมเลกุลอินทรีย์ที่ต้องการจากวัสดุหมุนเวียนได้

ความเสถียรที่โดดเด่นคือกุญแจสำคัญ

จุดเด่นหลักของ AzoBiPy คือสามารถแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน 2 ตัวแทนที่จะเป็นตัวเดียว ซึ่งหมายความว่าแต่ละโมเลกุลสามารถเก็บพลังงานได้มากกว่าโมเลกุลแบบอิเล็กตรอนเดียวถึง 2 เท่า ความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดของโมเลกุลอินทรีย์เหล่านี้คือความเสถียร วงจรชาร์จ-คายประจุต้องสามารถทำงานได้นานโดยไม่ทำให้โมเลกุลเสื่อมสลาย

ทีมวิจัยทดสอบแบตเตอรี่ Flow ที่ใช้โมเลกุลนี้เป็นเวลา 70 วันติดต่อกัน ผ่านวงจรชาร์จ-คายประจุเต็มจำนวน 192 รอบ เมื่อจบการทดสอบ โมเลกุลยังคงความจุได้เกือบ 99% จากค่าเริ่มต้น ซึ่งนักวิจัยบรรยายว่าเป็นผลงานที่ยอดเยี่ยมสำหรับโมเลกุลอินทรีย์

ในงานปาร์ตี้วันหยุดของภาควิชาเคมีเมื่อเดือนธันวาคม 2024 ทีมวิจัยได้สาธิตต้นแบบแบตเตอรี่ Flow ที่สามารถจ่ายไฟให้ไฟประดับต้นคริสต์มาสเป็นเวลา 8 ชั่วโมง โดยใช้สารละลายในถังเพียงประมาณ 2 ช้อนโต๊ะเท่านั้น

การสาธิตนี้ยังเน้นข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของระบบ คือใช้น้ำเป็นฐาน จึงไม่ติดไฟ ซึ่งต่างจากแบตลิเธียมไอออนที่มีความเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้ "คุณสมบัตินี้สำคัญมากโดยเฉพาะสำหรับระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่แบบติดตั้งถาวร" Dominic Rochefort กล่าว

อนาคตของการกักเก็บพลังงาน

แบตเตอรี่ Flow ที่ขับเคลื่อนด้วยโมเลกุลเช่น AzoBiPy สามารถใช้กักเก็บไฟฟ้าที่ผลิตจากโซลาร์ฟาร์มหรือฟาร์มกังหันลมได้ การกักเก็บพลังงานแบบระยะยาวจากแหล่งผลิตที่ไม่ต่อเนื่องจะทำให้สามารถนำไปใช้ในภายหลังเพื่อตอบสนองความต้องการสูงสุดได้

นอกจากนี้ยังอาจมีการใช้งานในระดับบ้านเรือน "อาจเป็นไปได้ที่จะพัฒนาระบบขนาดเล็กลงที่มีแบตเตอรี่สีเขียวและปลอดภัยกว่าสำหรับใช้ในบ้าน" Hélène Lebel แนะนำ

ทีมวิจัยกำลังเร่งจดสิทธิบัตรและเตรียมตีพิมพ์บทความวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกลุ่มโมเลกุลที่มีคุณสมบัติคล้าย AzoBiPy อีกทั้งตระกูล โดยคาดว่าเทคโนโลยีนี้จะถูกนำมาใช้งานจริงในวงกว้างภายใน 10-15 ปีข้างหน้า

นี่อาจไม่ใช่แค่แบตเตอรี่ลูกใหม่ แต่คือจิ๊กซอว์ชิ้นสำคัญที่จะทำให้พลังงานลมและแสงอาทิตย์กลายเป็นพลังงานหลักที่มั่นคง เสถียร และพร้อมจ่ายไฟให้โลกได้ตลอด 24 ชั่วโมง ไม่ว่าสภาพอากาศจะเป็นอย่างไร

งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในวารสาร Journal of the American Chemical Society

ที่มา: TechXplore