แบตเตอรี่รีชาร์จเคมีไฟฟ้า (rechargeable electrochemical batteries) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่มีความหลากหลายที่สุดอย่างหนึ่ง ได้มีบทบาทสำคัญในการเปลี่ยนผ่านจากพลังงานฟอสซิลไปสู่พลังงานทดแทนเพื่อสร้างโลกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม พวกมันเป็นเครื่องมือหลักในการลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในทั้งภาคการขนส่งด้วยยานพาหนะและภาคกริดไฟฟ้า การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (lithium-ion batteries) ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานที่ก้าวหน้าที่สุดได้เติบโตขึ้นอย่างรวดเร็วในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา โดยมีข้อดีที่เด่นชัดและการพัฒนาเหนือเทคโนโลยีแบตเตอรี่รูปแบบอื่นๆ เช่น แบตเตอรี่แบบนิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ (nickel metal hydride), แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (lead acid) และแบตเตอรี่แบบนิกเกิล-แคดเมียม (nickel cadmium) รวมถึงแบตเตอรี่โซเดียมไอออน (sodium-ion batteries) ที่มีความน่าสนใจมากขึ้นในปัจจุบัน
แบตเตอรี่โซเดียมไอออนคืออะไร?
การวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนเริ่มต้นตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 ดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงต้องใช้เวลาพัฒนานาน หลังจากผ่านไปเกือบสี่ทศวรรษ แบตเตอรี่โซเดียมไอออนกำลังได้รับความสนใจมากขึ้น เนื่องจากมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันในหลายๆ ด้านโดยไม่เกิดปัญหาด้านห่วงโซ่อุปทานเหมือนกับลิเธียม
การเพิ่มขึ้นของความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำให้ราคาของลิเธียมคาร์บอเนต (lithium carbonate) พุ่งสูงขึ้นมากถึง 10 เท่าจากปี 2020 ถึง 2022 (อ้างอิงจาก Trading Economics) ในขณะที่โซเดียม ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักในวัสดุแคโทดของแบตเตอรี่ มีแหล่งที่มาหรือทรัพยากรแทบไม่จำกัด โดยมีการกระจายตัวในเปลือกโลกมากกว่า 500 เท่าของลิเธียม และยังสามารถสกัดได้จากน้ำทะเล ซึ่งทำให้โซเดียมมีราคาถูกกว่าและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้น นอกจากนี้ แบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังปลอดภัยกว่า เนื่องจากไม่สามารถติดไฟได้และทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิได้ดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
ความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่โซเดียมไอออนและลิเธียมไอออน
เคมีและอิเล็กโทรเคมีของวัสดุอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เนื่องจากใช้สารอิเล็กโทรไลต์และสารเคมีที่แตกต่างกัน อย่างเช่น มวลโมเลกุลที่สูงกว่าของโซเดียม (23 g mol−1 เทียบกับ 6.9 g mol−1 ของ Li+) และรัศมีไอออนที่ใหญ่กว่า (1.02 Å เทียบกับ 0.76 Å สำหรับ Li+) นอกจากนี้ วัสดุแคโทดในแบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยมีสามประเภทหลัก ได้แก่ ออกไซด์, โพลีแอนไอออน และอนาล็อกสีน้ำเงินของปริสเซียส (Prussian blue analogs) แต่ในขณะนี้ยังไม่มีแนวโน้มที่ชัดเจนเกี่ยวกับประเภทของวัสดุแคโทดที่ควรจะเป็นเป้าหมายหลักในการพาณิชย์
แบตเตอรี่โซเดียมไอออนดีกว่าไหม?
แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีข้อดีหลายประการที่อาจท้าทายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งรวมถึง:
- ความอุดมสมบูรณ์และราคาที่ต่ำกว่าของเกลือโซเดียม
- ลักษณะของเกลือโซเดียมช่วยให้สามารถใช้สารอิเล็กโทรไลต์ความเข้มข้นต่ำ
- สามารถใช้ฟอยล์อะลูมิเนียมเป็นตัวเก็บประจุสำหรับขั้วลบ ซึ่งช่วยลดต้นทุน
- สามารถชาร์จได้มากกว่า 80% ในเวลาเพียง 15 นาทีที่อุณหภูมิห้อง
- สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้างและไม่รับผลกระทบจากอุณหภูมิที่ต่ำมาก
- วัสดุของแบตเตอรี่สามารถรีไซเคิลได้ง่าย ทำให้แบตเตอรี่โซเดียมมีความยั่งยืนมากกว่า
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่โซเดียมไอออนก็ยังมีข้อเสียบางประการ โดยข้อเสียที่ใหญ่ที่สุดคือมีพลังงานต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน นั่นหมายความว่า ยานพาหนะไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่โซเดียมไอออนขนาดเดียวกับแบตเตอรี่ลิเธียมชนิดนิกเกิล-โคบอลต์-อะลูมิเนียมออกไซด์ (Li(NiCoAl)O2, NCA) หรือ นิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ออกไซด์ (Li(NiMnCo)O2, NMC) จะไม่สามารถวิ่งได้ไกลเท่ากันในการชาร์จหนึ่งครั้ง แต่ในปัจจุบัน แบตเตอรี่โซเดียมไอออนได้ให้พลังงานใกล้เคียงกับแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LiFePO4, LFP) ซึ่งปัจจุบันก็ถูกใช้งานในยานพาหนะไฟฟ้าแล้ว และยังสามารถคาดหวังการปรับปรุงเพิ่มเติมในอนาคต
การพัฒนาแบตเตอรี่ต้องการเทคนิคการวิเคราะห์หลายประเภท การประเมินแบตเตอรี่และส่วนประกอบของแบตเตอรี่ต้องใช้วิธีการวิเคราะห์หลากหลายที่ศึกษาวัสดุและพื้นผิวของส่วนประกอบในหลายระดับ
แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน (Sodium-ion batteries) ถูกมองว่าเป็นหนึ่งในทางเลือกที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียม (Lithium-based battery technologies) จุดเด่นหลักของแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนคือความยั่งยืน ซึ่งสำคัญต่อโลกที่มุ่งมั่นที่จะพึ่งพาพลังงานที่ไม่ใช่จากแหล่งคาร์บอน แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนที่ใช้ขั้วบวกที่ไม่มีโคบอลต์อาจกลายเป็นทางเลือกที่ยั่งยืนและมีต้นทุนต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น ยานพาหนะไฟฟ้าที่ใช้ระยะทางสั้นและการเก็บพลังงานในขนาดใหญ่ (ESS) ในโลกที่กำลังเปลี่ยนแปลงไปสู่พลังงานจากลม, โซลาร์เซลล์ และพลังงานน้ำ แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนอาจถูกใช้ในหลายๆ การใช้งาน และอาจช่วยบรรเทาข้อจำกัดบางประการในการจัดหาวัสดุดิบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนที่จำเป็นสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า (EVs) นอกจากนี้ ความทนทานต่อสิ่งแวดล้อมที่ต่ำกว่าก็อาจมีบทบาทสำคัญในหลายๆ ด้านการใช้งานและข้อบังคับต่างๆ