ทีมนักวิจัยจาก มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน (National Taiwan University: NTU) ร่วมกับศูนย์วิจัยรังสีซินโครตรอนแห่งชาติไต้หวัน และสถาบันเทคโนโลยีนาโกย่า ประเทศญี่ปุ่น ค้นพบหลักฐานสำคัญที่ชี้ว่า คลอรีน (Chlorine) สามารถมีส่วนร่วมในกระบวนการกักเก็บประจุไฟฟ้าผ่านปฏิกิริยาแอนไอออนรีดอกซ์ในขั้วแคโทดของแบตเตอรี่โซลิดสเตต ช่วยเปิดแนวทางใหม่ในการออกแบบวัสดุขั้วแบตเตอรี่ที่มีความจุสูงขึ้นและปลอดภัยยิ่งขึ้น ตีพิมพ์ลงในวารสารวิชาการ Small
ปลดล็อกขีดจำกัดเคมีแบบดั้งเดิมสู่กลไกแอนไอออนรีดอกซ์
ท่ามกลางความต้องการแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ที่มีความจุสูงและความปลอดภัยเพิ่มขึ้น นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพยายามก้าวข้ามข้อจำกัดของเคมีแบบดั้งเดิมที่อาศัยเพียงโลหะทรานซิชันในการรับส่งอิเล็กตรอน โดยหันไปพึ่งพาการดึงประจุไฟฟ้าเพิ่มเติมจากอะตอมประจุลบหรือแอนไอออน ซึ่งที่ผ่านมาการศึกษาเน้นไปที่ออกซิเจนและซัลเฟอร์เป็นหลัก ขณะที่บทบาทของคลอรีนในขั้วแคโทดกลุ่มเฮไลด์ยังคงเป็นประเด็นที่ไม่ชัดเจนในวงการวิจัย
ทีมวิจัยนำโดย ศ. ดร. รู-สือ หลิว (Prof. Ru-Shi Liu) จากภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยแห่งชาติไต้หวัน ได้ทำการประกอบเซลล์แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตตทั้งหมด (All-Solid-State Cell) โดยใช้ ลิเทียมไอรอนคลอไรด์ (Li₂FeCl₄) เป็นขั้วแคโทด ทำงานร่วมกับอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง Li₃InCl₆ และชั้นคั่นกลาง Li₁₀GeP₂S₁₂ พร้อมขั้วแอโนดโลหะผสมลิเทียม-อินเดียม การวัดค่าทางเคมีไฟฟ้าเผยให้เห็นช่วงการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันสองระดับที่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 3.8 โวลต์ และ 4.2 โวลต์ เมื่อเทียบกับ Li⁺/Li โดยช่วงแรงดันไฟฟ้าแรกเกิดจากการออกซิเดชันของเหล็ก ขณะที่ช่วงแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าบ่งชี้ถึงบทบาทของคลอรีนในการช่วยชดเชยประจุ
วิเคราะห์ลึกระดับโครงสร้างอิเล็กตรอนและปรากฏการณ์ Reductive Coupling
ในการระบุที่มาของกระบวนการดังกล่าว ทีมวิจัยได้ผสานเทคนิค X-ray Photoelectron Spectroscopy และ X-ray Absorption Spectroscopy เข้ากับการคำนวณโครงสร้างทางอิเล็กทรอนิกส์ด้วยทฤษฎี Density Functional Theory (DFT) จนพบว่าสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของคลอรีนเกิดการเปลี่ยนแปลงจริงในระหว่างการชาร์จ นอกจากนี้ การคำนวณยังระบุถึงออร์บิทัลแบบ Nonbonding ของคลอรีนที่มีอิเล็กตรอนบรรจุอยู่ ซึ่งสามารถทำหน้าที่ปลดปล่อยอิเล็กตรอนเพื่อชดเชยประจุไฟฟ้าในระบบได้
นอกจากนี้ การศึกษายังพบปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมของเหล็กและคลอรีน โดยในช่วงการชาร์จระดับแรก ธาตุเหล็กจะถูกออกซิไดซ์และโครงสร้างแปดหน้า Fe–Cl จะเกิดการบิดเบี้ยว แต่เมื่อเข้าสู่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้น ศูนย์กลางของเหล็กกลับแสดงสัญญาณของการรีดักชันบางส่วนแทนที่จะเกิดออกซิเดชันต่อเนื่อง ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า Reductive Coupling นี้ ช่วยอธิบายการกระจายประจุอิเล็กตรอนใหม่ในโครงสร้าง พร้อมช่วยฟื้นคืนสมมาตรเฉพาะที่ของโครงสร้างผลึกได้บางส่วน
รากฐานใหม่สู่การพัฒนาวัสดุกักเก็บพลังงานยุคหน้า
การทดลองเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) และเทคนิคนาโนสเกล XRD ยังช่วยยืนยันการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างผลึกและการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่สม่ำเสมอในแต่ละเกรนของแคโทด แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยารีดอกซ์ของคลอรีนมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับพันธะเคมีและความเค้นเชิงโครงสร้าง การค้นพบครั้งนี้จึงช่วยขยายขอบเขตความเข้าใจเรื่องแอนไอออนรีดอกซ์ และให้แนวคิดใหม่ในการออกแบบขั้วแคโทดกลุ่มเฮไลด์ผ่านการควบคุมสถานะ Nonbonding ของคลอรีน
อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยระบุว่ากระบวนการที่เกิดขึ้นในย่านแรงดันไฟฟ้าสูงยังสามารถผันกลับได้เพียงบางส่วน และยังต้องศึกษาเพิ่มเติมเพื่อป้องกันการเกิดก๊าซคลอรีนในระหว่างการใช้งาน งานวิจัยนี้จึงทำหน้าที่เป็นรากฐานทางกลไกที่สำคัญสำหรับการพัฒนาวัสดุแบตเตอรี่โซลิดสเตตในขั้นต่อไป มากกว่าจะเป็นเทคโนโลยีที่พร้อมใช้งานในเชิงพาณิชย์ทันที
#แบตเตอรี่โซลิดสเตต #NTU #นวัตกรรมพลังงาน #เคมี #คลอรีน #เทคโนโลยีแบตเตอรี่
