เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศทำให้การบินด้วยแบตเตอรี่ใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และสถาบันการเงินอื่นๆ เปิดเผยการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศที่สามารถให้พลังงานแก่เครื่องบินได้ แนวคิดปฏิวัติวงการนี้ให้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นในขณะที่ดักจับคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศตามธรรมชาติ นี่คือวิธีที่เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศจะปฏิวัติการเดินทางทางอากาศในปีต่อๆ ไป

ความท้าทายด้านแบตเตอรี่ในการบิน

แม้ว่ารถยนต์ไฟฟ้าจะกลายมาเป็นบรรทัดฐาน แต่ภาคการบินกลับไม่เติบโตมากเท่านี้ มีตัวเลือกอยู่บ้าง แต่เป็นยานส่วนบุคคลที่จำกัดจำนวนผู้โดยสาร เหตุผลหลักที่ทำให้การเติบโตไม่เติบโตนี้ก็คือเทคโนโลยีแบตเตอรี่ยังไม่ตรงตามเกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการจ่ายไฟให้เครื่องบินโดยสารเชิงพาณิชย์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันมีน้ำหนักมาก และต้องใช้เซลล์จำนวนมากในการจ่ายไฟให้เครื่องบินโดยสาร

ช่องว่างด้านพลังงานในการบินไฟฟ้า

เพื่อที่จะบินด้วยพลังงานจากแบตเตอรี่ วิศวกรจำเป็นต้องเพิ่มแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของยานพาหนะไฟฟ้าในปัจจุบันจาก 300 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมเป็น 1,000 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม การเพิ่มความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นสามเท่าเป็นไปไม่ได้ แต่เริ่มมีทางเลือกอื่นเกิดขึ้นแล้ว

แบตเตอรี่โลหะ-อากาศ: พลังงานสูง ความสามารถในการชาร์จต่ำ

แบตเตอรี่โลหะ-อากาศ เช่น ลิเธียม-อากาศ หรือโซเดียม-อากาศ ได้รับการวิจัยอย่างละเอียดถี่ถ้วนในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมา แบตเตอรี่เหล่านี้มีความหนาแน่นมากกว่า แต่ก็มีปัญหาร้ายแรงบางประการเกี่ยวกับการชาร์จไฟ ปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่โลหะอัลคาไล-อากาศส่งผลให้เกิดผลิตภัณฑ์คายประจุที่เป็นของแข็ง ซึ่งกำจัดออกได้ยาก ทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้ล้าสมัยหลังจากใช้งานเพียงไม่กี่รอบ โชคดีที่สถานการณ์นี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้

ความก้าวหน้าของเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

นักวิจัย MIT ร่วมกับนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันต่างๆ ได้เปิดตัวเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-โลหะที่สามารถช่วยบรรเทาปัญหาในอดีตและก้าวเข้าสู่ยุคใหม่แห่งพลังงานพกพาสะอาด

การศึกษา เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศสำหรับความหนาแน่นพลังงานสูงและพลังงานไฟฟ้าต้นทุนต่ำ เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียมโลหะ-อากาศเหลวที่ออกแบบเป็นพิเศษซึ่งผสานเมมเบรนอิเล็กโทรไลต์แข็งที่ช่วยให้แบตเตอรี่ปรับความชื้นและกระแสอากาศเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศแตกต่างจากแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมอย่างไร

เซลล์เชื้อเพลิงทำงานเหมือนแบตเตอรี่ โดยมีความแตกต่างหลักอยู่ที่วัสดุที่ใช้ผลิตพลังงานจะถูกสับเปลี่ยนออกไป การออกแบบนี้เหมาะสำหรับการเดินทาง เพราะไม่จำเป็นต้องชาร์จใหม่ แต่จะเปลี่ยนแบตเตอรี่เป็นพลังงานทดแทน

จากนั้นอิเล็กโทรดเก่าจะถูกส่งไปที่โรงงานเพื่อดำเนินการ เติมใหม่ และส่งกลับออกไปเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ ในกรณีนี้ โซเดียมจะถูกนำมาใช้ ซึ่งมีจุดหลอมเหลวต่ำที่ 98 องศาเซลเซียส ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเติมเชื้อเพลิงต้นทุนต่ำ

ภายในการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศใช้โซเดียมโลหะเหลวราคาถูกทั่วไปซึ่งอยู่ด้านหนึ่งของตัวเครื่อง อีกด้านหนึ่งเป็นห้องอากาศเปิด ระหว่างสองชั้นนี้มีอิเล็กโทรไลต์ อิเล็กโทรไลต์มีโครงสร้างพรุนที่ด้านที่หันไปทางอากาศ ซึ่งช่วยให้ไอออนโซเดียมผ่านได้อย่างอิสระและทำปฏิกิริยากับ O2 ทำให้เกิดไฟฟ้า

ต้นแบบและการออกแบบตลับเซลล์เชื้อเพลิง

วิศวกรได้สร้างต้นแบบที่สามารถทดสอบได้สองแบบ ทั้งสองรุ่นใช้แนวทางเดียวกันในการผลิตพลังงาน อย่างไรก็ตาม รุ่นหนึ่งได้รับการออกแบบให้วางในแนวนอน ทั้งสองรุ่นใช้ตลับชาร์จที่บรรจุโลหะโซเดียมเหลวแล้วปิดผนึก

แหล่งที่มา - จูล

การออกแบบเซลล์ H: มันทำงานอย่างไร

ต้นแบบเซลล์ H มีลักษณะคล้ายตัวอักษร H โดยมีท่อแก้วแนวตั้งสองท่อเชื่อมต่อกันด้วยท่อที่บรรจุอิเล็กโทรไลต์แข็งตรงกลาง ท่อตรงกลางใช้สารอิเล็กโทรไลต์เซรามิกและอิเล็กโทรดอากาศที่มีรูพรุนเพื่อสร้างปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีระหว่างโลหะโซเดียมเหลวและออกซิเจน ซึ่งใช้เชื้อเพลิงโซเดียม การออกแบบที่สองนั้นคล้ายกับ H แต่ฐานได้รับการปรับเปลี่ยน การตั้งค่านี้ใช้ถาดที่บรรจุสารอิเล็กโทรไลต์ซึ่งวางอยู่เหนืออิเล็กโทรดอากาศที่มีรูพรุน

ที่น่าสนใจคือ ผลิตภัณฑ์พลอยได้ของปฏิกิริยาเหล่านี้จะรวมตัวกับอากาศโดยรอบเพื่อสร้างโซเดียมคาร์บอเนต โดยผ่านปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ การปล่อยสารเหล่านี้จะกลายเป็นโซเดียมไบคาร์บอเนต หรือที่เรียกว่าเบกกิ้งโซดา

โซเดียมไบคาร์บอเนตนี้มีประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อม เมื่อเติมลงในมหาสมุทร จะช่วยลดความเป็นกรดในน้ำได้ นอกจากนี้ยังเพิ่มพลังในการทำความสะอาดอีกชั้นหนึ่งให้กับการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิง

บทบาทของความชื้นต่อประสิทธิภาพเซลล์เชื้อเพลิง

การค้นพบที่สำคัญอย่างหนึ่งที่นักวิจัยประหลาดใจเมื่อได้ทราบคือผลกระทบโดยรวมของความชื้นในกระบวนการ วิศวกรสังเกตว่าปริมาณความชื้นในอากาศส่งผลกระทบอย่างมากต่อปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า

พวกเขาสังเกตเห็นว่าความชื้นมีประโยชน์เพราะจะทำให้เกิดการคายประจุโซเดียมในรูปของเหลว การค้นพบนี้ทำให้พวกเขาสามารถกำจัดของเสียจากแบตเตอรี่ที่เป็นของแข็งได้ ซึ่งกำจัดได้ยากกว่ามากสำหรับการเติมแบตเตอรี่ใหม่ เศษของเหลวที่เหลือสามารถถูกผลักออกได้อย่างง่ายดายโดยใช้ลมที่มีแรงดัน ซึ่งจะช่วยลดต้นทุน

การทดสอบเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

วิศวกรได้ทำการทดสอบหลายครั้งเพื่อตรวจสอบทฤษฎีของพวกเขา พวกเขาใช้กระแสอากาศที่แม่นยำและควบคุมความชื้นเพื่อดูวิธีการต่างๆ และปรับประสิทธิภาพให้เหมาะสม ผลการทดสอบของพวกเขาเป็นที่น่าประหลาดใจ โดยการออกแบบเซลล์เชื้อเพลิงแบบใหม่มีประสิทธิภาพเหนือกว่าการออกแบบแบตเตอรี่รุ่นก่อนๆ ทั้งหมด

ผลลัพธ์: ความหนาแน่นของพลังงาน 3 เท่าเมื่อเทียบกับลิเธียมไออน

วิศวกรรู้สึกตื่นเต้นที่ได้เห็นผลงานของพวกเขามีประสิทธิภาพเหนือกว่าแบตเตอรี่แบบเดิมถึง 3 เท่า พวกเขาได้บันทึกความหนาแน่นของพลังงานในระดับสแต็กที่ 1,200 วัตต์ชั่วโมง/กก. ที่ 80 มิลลิแอมป์/ซม.2 ประสิทธิภาพนี้ต้องการเพียงโซเดียมเมทัลที่มีความหนา 2.3 ซม. เท่านั้นเพื่อให้ทำงานต่อเนื่องได้

ประโยชน์ของเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศมีข้อดีหลายประการที่ทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับการใช้งานในอนาคต ประการหนึ่งคือมีต้นทุนต่ำกว่ามาก แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีราคาสูงในการผลิตและมีน้ำหนักมาก อีกทั้งยังมีของเสียจำนวนมาก การใช้โซเดียมเมทัลมีราคาถูกกว่ามาก นอกจากนี้ สหรัฐอเมริกายังมีประวัติการผลิตวัสดุนี้เป็นจำนวนมาก เนื่องจากใช้เป็นสารเติมแต่งในเตตระเอทิลเลด

ข้อดีของความหนาแน่นของพลังงาน

แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศมีอัตราส่วนน้ำหนักต่อกำลังมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมถึง 3 เท่า ความหนาแน่นของกำลังที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้แบตเตอรี่สามารถนำไปใช้งานในแอพพลิเคชั่นที่เน้นเรื่องน้ำหนักได้ นอกจากนี้ พลังงานที่เพิ่มขึ้นยังทำให้แบตเตอรี่มีขนาดเล็กลงและมีขนาดที่พอดีมากขึ้นเพื่อตอบสนองความต้องการของนักออกแบบในอนาคต

ความปลอดภัยที่ได้รับการปรับปรุงเหนือกว่าลิเธียมไออน

ประโยชน์อีกประการหนึ่งของแบตเตอรี่โซเดียม-อากาศก็คือแบตเตอรี่ชนิดนี้ปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาก มีเรื่องราวมากมายบนอินเทอร์เน็ตเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ติดไฟและระเบิดเนื่องจากความร้อนรั่วไหล แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศมีความเสี่ยงต่อความร้อนรั่วไหลน้อยกว่ามาก เนื่องจากมีเพียงอากาศอยู่ข้างเดียวเท่านั้นเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบอื่นที่มีสารตั้งต้น 2 ชนิด

ประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อมและผลิตภัณฑ์จากการฟอกอากาศ

ประโยชน์หลักประการหนึ่งของแบตเตอรี่โซเดียม-อากาศคือมีความสะอาดกว่ามาก ผลิตภัณฑ์พลอยได้ของแบตเตอรี่โซเดียม-อากาศจะทำปฏิกิริยากับสารมลพิษโดยธรรมชาติและเปลี่ยนสารมลพิษเหล่านั้นให้กลายเป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ วิธีนี้ยั่งยืนกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนซึ่งสร้างปัญหาการฝังกลบเมื่อใช้งานมานาน

กรณีการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริงและไทม์ไลน์การนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์

แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศมีประโยชน์หลายอย่าง แบตเตอรี่เหล่านี้ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงในต้นทุนต่ำ การออกแบบที่น้ำหนักเบาทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในรถบรรทุกเชิงพาณิชย์ ตั้งแต่การขนส่งสินค้า รถไฟ เรือ และเครื่องบิน

การบิน: เป้าหมายหลักสำหรับเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศอาจช่วยนำพาเครื่องบินไฟฟ้าเข้าสู่ยุคใหม่ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถใช้ถาดเซลล์เชื้อเพลิงแบบเปลี่ยนได้เพื่อช่วยขับเคลื่อนการเดินทางรอบโลกและอื่นๆ อีกมากมาย วิศวกรได้อธิบายแนวคิดที่ผลพลอยได้จากเซลล์เชื้อเพลิงจะออกจากเครื่องบินผ่านท่อไอเสียแบบเดิม ทำให้เครื่องบินสามารถทำความสะอาดอากาศขณะเดินทางได้

ไทม์ไลน์และแนวโน้มเชิงพาณิชย์

นักวิจัยมีความกระตือรือร้นที่จะนำเทคโนโลยีนี้เข้าสู่ภาคการค้าโดยเร็วที่สุด พวกเขาได้ก่อตั้งบริษัทที่มีชื่อว่า Propel Aero ขึ้นเพื่อช่วยหาเงินทุนเพื่อนำแนวคิดนี้ออกสู่ตลาด ตามที่วิศวกรกล่าว เป้าหมายของพวกเขาคือการผลิตเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเท่าอิฐที่สามารถส่งพลังงานที่เชื่อถือได้ 1,000 วัตต์-ชั่วโมงให้กับโดรนเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่

นักวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

การศึกษาเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศได้รับการเสนอโดย Karen Sugano, Sunil Mair, Saahir Ganti-Agrawal, Yet-Ming Chiang, Alden Friesen, Kailash Raman, William Woodford, Shashank Sripad และ Venkatasubramanian Viswanathan โครงการนี้ได้รับการสนับสนุนทางการเงินจาก Breakthrough Energy Ventures, National Science Foundation และ ARPA-E

การลงทุนในภาคส่วนแบตเตอรี่

มีการแข่งขันกันเพื่อนำแบตเตอรี่ที่ดีกว่ามาสู่โลก และผู้ผลิตต่างๆ ยังคงก้าวขึ้นมาอีกขั้นด้วยโซลูชันใหม่ๆ โลกเป็นโลกไร้สาย และแบตเตอรี่คือสิ่งทดแทน ดังนั้น เทคโนโลยีแบตเตอรี่จึงกลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีนวัตกรรมที่รวดเร็วที่สุด นี่คือบริษัทหนึ่งที่เป็นผู้นำการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว

บริษัท เอโนวิกซ์ คอร์ป

บริษัท อีโนฟิกซ์ (เอ็นวีเอ็กซ์ + 0.57%) เข้าสู่ตลาดในปี 2006 และมีสำนักงานใหญ่ในเมืองฟรีมอนต์ รัฐแคลิฟอร์เนีย ผู้ก่อตั้งบริษัท ได้แก่ Harold Jones Rust III, Ashok Lahiri และ Murali Ramasubramanian ต้องการสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นเพื่อจ่ายไฟให้กับรถยนต์ไฟฟ้าและเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ ตั้งแต่เปิดตัว Enovix ยังคงเป็นจิตวิญญาณบุกเบิก

บริษัทได้ช่วยผลักดันสถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้ 3D ซิลิกอนให้เป็นทางเลือกที่ดีกว่าในปัจจุบัน นอกจากนี้ บริษัทกำลังสำรวจวัสดุและกระบวนการผลิตใหม่ๆ โดยตั้งใจที่จะลดต้นทุนและปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเลือกลิเธียมไอออน

Enovix อยู่ในตำแหน่งที่จะประสบความสำเร็จในตลาด บริษัทมีการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญจากความมุ่งมั่นในการสร้างทางเลือกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ประหยัดพลังงาน และประสิทธิภาพสูง

ข่าวและความคืบหน้าล่าสุดของหุ้น Enovix Corp. (ENVX)

อนาคตที่สะอาดขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศ

แนวคิดการใช้แบตเตอรี่ที่ปล่อยสารตกค้างที่ช่วยทำความสะอาดอากาศถือเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญ เทคโนโลยีนี้อาจช่วยแก้ปัญหาต่างๆ ได้มากมาย ตั้งแต่ความหนาแน่นของแบตเตอรี่ไปจนถึงการทำความสะอาดมหาสมุทร ผลกระทบดังกล่าวจะคงอยู่ไปอีกหลายปีหากโครงการนี้ประสบความสำเร็จในการบรรลุเป้าหมายในการปฏิวัติพลังงานแบบพกพา สำหรับตอนนี้ ขอชื่นชมทีมงานในความพยายามและความปรารถนาที่จะทำให้โลกเป็นสีเขียวมากขึ้น

เรียนรู้เกี่ยวกับความก้าวหน้าด้านพลังงานเย็นอื่น ๆ Good Farm Animal Welfare Awards.

การศึกษาที่อ้างอิง:

^{1. Sugano, K., Mair, S., Ganti-Agrawal, S., Chiang, Y.-M., Friesen, A., Raman, K., Woodford, W., Sripad, S., & Viswanathan, V. (2025). เซลล์เชื้อเพลิงโซเดียม-อากาศสำหรับความหนาแน่นพลังงานสูงและพลังงานไฟฟ้าต้นทุนต่ำ จูล. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101962}