ทฤษฎีแอโนด-อิเล็กโทรไลต์ขั้นสูงสำหรับแบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออน

สิ่งสำคัญที่ควรรู้:

• AIB ที่ก้าวหน้า เทคโนโลยี: แบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออน (AIB) เป็นทางเลือกที่ปลอดภัยและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าแบตเตอรี่แบบเดิม โดยใช้แอมโมเนียมอะซิเตต (NH4Ac) ซึ่งป้องกันการเจริญเติบโตของเดนไดรต์และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่
• นวัตกรรมวัสดุแอโนด: การพัฒนาล่าสุดในวัสดุแอโนด เช่น MXenes ซึ่งสำรวจผ่านการคำนวณ DFT แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าต่ำและความหนาแน่นของพลังงานสูง
• พฤติกรรมเทียม: แอโนด MXene ใน AIB แสดงพฤติกรรมเทียมคาปาซิทีฟที่เป็นเอกลักษณ์ด้วย NH4Ac ทำให้ได้รับความจุสูงและความเสถียรมากกว่า 5000 รอบ ซึ่งเป็นความก้าวหน้าที่สำคัญเหนือวัสดุอื่นๆ
• การปรับปรุงที่ได้รับการสนับสนุนจากการวิจัย: การศึกษาเช่นเดียวกับจาก Sun และคณะ ยืนยันถึงประโยชน์ของการใช้แอมโมเนียมอะซิเตต ซึ่งช่วยเพิ่มความปลอดภัยและประสิทธิผลโดยรวมของ AIB

หลาย สถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ ปัจจุบันดำรงอยู่ในขณะที่วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์พยายามจะเปลี่ยนแปลง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เพื่อลองนำระบบแบตเตอรี่ใหม่ๆ ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ชาร์จได้เร็วกว่า หรือเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา สถาปัตยกรรมแบตเตอรี่ใหม่จำนวนมากได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์หลังจากการพัฒนาทางวิชาการเป็นเวลาหลายปี และแบตเตอรี่ใหม่อื่นๆ ก็เริ่มเข้ามามีบทบาทในโลกวิชาการ 

หนึ่งในแบตเตอรี่เหล่านี้คือแบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออน (AIB) ซึ่งใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ ดังนั้นจึงปลอดภัยกว่าและเสี่ยงต่อการเกิดความร้อนน้อยกว่า AIB มีต้นทุนต่ำ มีเสถียรภาพโดยธรรมชาติ มีคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่ดีและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม นี่เป็นการวิจัยแบตเตอรี่แนวใหม่เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ได้รับการยอมรับมากกว่า และถึงแม้ว่าจะมีศักยภาพในการสร้างแบตเตอรี่ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น แต่ AIB ก็ถูกขัดขวางโดยความท้าทายในการออกแบบแอโนด 

ศักยภาพของแบตเตอรี่แอมโมเนียม 

AIB คือ แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ที่ใช้แอมโมเนียมไอออน (NH4+) เป็นตัวพาประจุ เมื่อเปรียบเทียบกับไอออนโลหะแบบดั้งเดิม ได้แก่ Li+, Na+, K+, Zn2+ และ Mg2+—แอมโมเนียมไอออนมีลักษณะการแพร่กระจายที่รวดเร็วในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำ (แบบน้ำ) เนื่องจากมีรัศมีไอออนิกน้อยกว่าและมีมวลโมลาร์เบากว่า แอมโมเนียมไอออนยังไม่มีการเจริญเติบโตของเดนไดรต์ ซึ่งมักเป็นสาเหตุของการลัดวงจรของแบตเตอรี่ ไม่เหมือนหลายๆ แบตเตอรี่โลหะไอออนดังนั้นจึงมีศักยภาพในการสร้างแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยยิ่งขึ้นซึ่งจะสลายตัวช้าลง อิเล็กโทรไลต์แอมโมเนียมไอออนยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าตัวทำละลายอินทรีย์ที่ใช้ในแบตเตอรี่เมทัลไอออน และยังมีราคาถูกกว่ามากอีกด้วย อิเล็กโทรไลต์ที่พบมากที่สุดชนิดหนึ่งคือแอมโมเนียมอะซิเตต (NH4Ac) 

เพื่อเน้นย้ำถึงประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยในการปฏิบัติงานของ AIB การศึกษาล่าสุด เช่น ของ Sun และคณะ เน้นย้ำถึงบทบาทของอิเล็กโทรไลต์แอมโมเนียมอะซิเตต (NH4Ac) ในการเพิ่มเสถียรภาพและความจุของแบตเตอรี่เหล่านี้ แตกต่างจากอิเล็กโทรไลต์แบบดั้งเดิม NH4Ac ช่วยป้องกันการก่อตัวของเดนไดรต์ ซึ่งมักเป็นอันตรายต่อความปลอดภัยที่สำคัญในการใช้งานแบตเตอรี่ คุณลักษณะนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความปลอดภัย แต่ยังช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก ทำให้ AIB เป็นตัวเลือกที่ยั่งยืนมากขึ้นในระยะยาว

ลักษณะทั้งหมดนี้แสดงให้เห็นว่า AIB มีศักยภาพมากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อลักษณะเหล่านี้มักถูกมองว่าเป็นข้อได้เปรียบเหนือแบตเตอรี่เมทัลไอออน ซึ่งกลายเป็นมาตรฐานทางการค้าในปัจจุบัน มีงานมากมายในการออกแบบแคโทดของ AIB และขณะนี้สามารถบรรลุขีดความสามารถเฉพาะสูงได้แล้ว ตัวอย่างของแคโทดประกอบด้วยวัสดุที่มีนิกเกิล แมงกานีส และวานาเดียมเป็นส่วนประกอบหลัก อย่างไรก็ตาม การออกแบบแอโนดไม่ได้ใช้ความพยายามมากนัก และการทำงานร่วมกันระหว่างแอโนดกับอิเล็กโทรไลต์ยังคงเป็นส่วนที่ยังต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติม 

การพัฒนาวัสดุแอโนดใหม่ 

ปัจจุบันแอโนดเป็นปัจจัยจำกัดสำหรับ AIB เนื่องจากในปัจจุบันมีวัสดุแอโนดไม่มากนักที่มีแรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่ำ การพัฒนาแอโนด AIB นั้นจำกัดอยู่ที่การเปลี่ยนออกไซด์ของโลหะ/ซัลไฟด์และโพลีเมอร์อินทรีย์เป็นหลัก วัสดุเหล่านี้ไม่ใช่วัสดุในอุดมคติเนื่องจากสารประกอบโลหะทรานซิชันมีแนวโน้มที่จะมีสมรรถนะต่ำ และโพลีเมอร์แอโนดมีอัตราการละลายสูง ซึ่งทำให้เสถียรภาพในการหมุนเวียนไม่ดี สิ่งนี้ทำให้ AIB จำนวนมากที่พัฒนามาจนถึงปัจจุบันไม่สามารถใช้งานได้จริง 

แม้จะมีความท้าทายด้านวัสดุ แต่วัสดุใหม่ยังคงได้รับการเสนอและทดลองใช้ วัสดุประเภทหนึ่งที่ได้รับการขนานนามว่าเป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้คือ เอ็มซีน- MXene เป็นวัสดุ 2 มิติที่สร้างขึ้นจากวัสดุเฟส MAX ซึ่งมีสูตรทั่วไปคือ Mn+1AXn ในโครงสร้างทางเคมีนี้ M คือโลหะทรานซิชันระยะแรก A คือธาตุหมู่ 13 หรือ 14 และ X คือคาร์บอนหรือไนโตรเจน 

MXene มีคุณสมบัติหลายประการที่เป็นประโยชน์ต่ออิเล็กโทรด ตัวอย่างเช่น พวกมันมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและมีกิจกรรมพื้นผิวสูง และวิธีที่ชั้นซ้อนกันเป็นที่ต้องการสำหรับการจัดเก็บไอออน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุนาโนประเภทอื่น ดังนั้น MXenes จึงถูกมองว่าเป็นประโยชน์สำหรับ AIB และขณะนี้มีงานทางทฤษฎีมากมายเพื่อดูว่าคุ้มค่าที่จะสำรวจการทดลองเพิ่มเติมหรือไม่ 

ศักยภาพของ MXenes ในฐานะวัสดุแอโนดที่มีประสิทธิภาพในแบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออนได้รับการสนับสนุนโดยการคำนวณทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) โดยละเอียด ดังที่แสดงในรูปที่ 1 ด้านล่าง การคำนวณเหล่านี้เผยให้เห็นศักยภาพในการทำงานต่ำและพฤติกรรมการประจุไฟฟ้าเทียมสูงของวัสดุ MXene โดยเฉพาะ V2CTx ซึ่งแนะนำความเหมาะสมสำหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงในเทคโนโลยีแบตเตอรี่

a มุมมองด้านข้างของแบบจำลองโครงสร้างของ V2CTx MXene ถูกบรรยายไว้ ทรงกลมที่มีสีเทา สีดำ และสีส้มแสดงถึงจุดสิ้นสุด V, C และ T ตามลำดับ ข, ค เส้นโค้งศักย์ไฟฟ้าสถิตเฉลี่ยระนาบสำหรับ V2CO2 และ V2CF2 จะแสดงตามลำดับ d กราฟศักย์ไฟฟ้าสถิตเฉลี่ยระนาบสำหรับ 1T-MoS2 แสดงไว้ด้วย e แสดงให้เห็นความสัมพันธ์ระหว่างฟังก์ชันการทำงานและหน้าต่างศักยภาพในการปฏิบัติงานของวัสดุสองมิติที่ศึกษาในการวิจัยนี้

ในการยืนยันความเหมาะสมของ MXenes สำหรับแอปพลิเคชัน AIB การวิจัยระบุไว้ใน การสื่อสารธรรมชาติ โดยซัน และคณะ อภิปรายคุณสมบัติ pseudocapacitive ของ V2CTx MXenes เมื่อใช้กับอิเล็กโทรไลต์ NH4Ac วัสดุเหล่านี้ไม่เพียงแต่รับประกันศักยภาพในการทำงานที่ลดลง แต่ยังแสดงให้เห็นถึงความเสถียรและความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูง กิจกรรมพื้นผิวที่สูงโดยธรรมชาติของ MXenes ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ส่งผลให้การผลิตแอโนดในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ยั่งยืนมีความก้าวหน้าอย่างมาก 

การคำนวณ DFT แนะนำอิเล็กโทรไลต์น้ำที่ดีที่สุดสำหรับ MXene Anodes 

ทฤษฎีฟังก์ชันความหนาแน่น (DFT) เป็นเทคนิคที่ได้รับการยอมรับอย่างดีในสาขาทฤษฎีและ เคมีคำนวณ และมักใช้ในการสร้างแบบจำลองและตรวจสอบคุณสมบัติของระบบวัสดุต่างๆ เพื่อดูว่าเป็นไปได้สำหรับการใช้งานเฉพาะหรือไม่ (รวมถึงอนุมานโครงสร้างด้วย) การคำนวณ DFT แสดงให้เห็นว่า MXene, V2CTx มีกรอบเวลาในการทำงานต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับวัสดุที่ทำจากวานาเดียมอื่นๆ ดังนั้นจึงมีศักยภาพที่จะเป็นวัสดุแอโนดที่มีแนวโน้มสำหรับ AIB 

ขณะนี้นักวิจัยได้พิจารณาเพิ่มเติมเกี่ยวกับแอโนด MXene นี้โดยใช้การผสมผสานระหว่างการคำนวณ DFT และวิธีการจำแนกลักษณะทางกายภาพของวัสดุเพื่อดูว่าอิเล็กโทรไลต์ในน้ำมีปฏิสัมพันธ์อย่างไร และเพื่อตรวจสอบว่าประสิทธิภาพของแอโนดเหล่านี้อาจมีหน้าตาเป็นอย่างไร นักวิจัยพบว่าขั้วบวก MXene นี้แสดงพฤติกรรมเทียมสำหรับการจัดเก็บไอออนแอมโมเนียม โดยมีความจุจำเพาะ 115.9 mAh g-1 ที่ 1 A g-1 และการรักษาความจุ 100% หลังจาก 5000 รอบที่ 5 A g-1 

แม้ว่าอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำจำนวนมากจะถูกทดลองด้วยแอโนด MXene ซึ่งรวมถึง (NH4)2SO4, NH4Cl, (NH4)2C2O4 และ NH4Me—อิเล็กโทรไลต์เพียงชนิดเดียวที่แอโนด MXene แสดงพฤติกรรมแบบเก็บประจุเทียมนี้กับอิเล็กโทรไลต์แอมโมเนียมอะซิเตต NH4Ac ประสิทธิภาพพฤติกรรมเทียมคาปาซิทีฟที่แสดงระหว่างแอโนด MXene และอิเล็กโทรไลต์ NH4Ac นั้นเหนือกว่าอิเล็กโทรดประเภทคาปาซิทีฟทั้งหมดใน AIB จนถึงปัจจุบัน 

ในการตรวจสอบคุณสมบัติของแอโนดและอันตรกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ในแหล่งกำเนิด ทำการวัดสมดุลระดับไมโครของผลึกควอตซ์คริสตัลด้วยไฟฟ้าเคมี (EQCM) ซึ่งแสดงให้เห็นกระบวนการเคมีไฟฟ้าสองขั้นตอนที่สร้างพฤติกรรมการจัดเก็บแบบ pseudocapacitive ในอิเล็กโทรไลต์แอมโมเนียมอะซิเตต 

ติดตามผลการทดลองด้วยการคำนวณและการจำลอง DFT เพื่อให้เข้าใจกระบวนการเคมีไฟฟ้านี้ได้ดียิ่งขึ้น ส่วนแรกของกระบวนการเกี่ยวข้องกับการดูดซับ/การสะสมของไฟฟ้าสถิตของ NH4+ บนพื้นผิว MXene ในขั้นตอนที่สองของกระบวนการ ปฏิกิริยารีดอกซ์เกิดขึ้นระหว่างกลุ่ม d-V2CTx ของแอโนดและกลุ่ม [NH4+(HAc)3] ของอิเล็กโทรไลต์ ในระหว่างกระบวนการรีดอกซ์นี้ ไอออน NH4+ ที่อยู่ตรงกลางจะทำหน้าที่เป็นโปรตอนเทียม ซึ่งเอื้อต่อการสลับจุดสิ้นสุดของ V2CTx จากนั้นจะเปลี่ยนสถานะเวเลนซ์ของวาเนเดียมไอออนในสารเชิงซ้อน ซึ่งส่งเสริมการถ่ายโอนประจุ 

การใช้แอมโมเนียมอะซิเตตที่เป็นนวัตกรรมใน AIB ที่ใช้ MXene ไม่เพียงแต่ปรับปรุงเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการกักเก็บพลังงานตามรายละเอียดโดย Sun และคณะ ความก้าวหน้าครั้งนี้มีสาเหตุมาจากปฏิสัมพันธ์ที่เป็นเอกลักษณ์ระหว่างไอออน NH4+ และอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเอื้อต่อการขนส่งไอออนอย่างมีประสิทธิภาพและความเสถียรของวงจรที่แข็งแกร่ง โดยวางรากฐานสำหรับโซลูชันกักเก็บพลังงานแห่งยุคถัดไป

นักวิจัยยังยืนยันถึงผลการเพิ่มประสิทธิภาพของอะซิเตตไอออนในแบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออนที่ใช้ MoS2 (วัสดุ 2D อื่นในตระกูลไดแชลโคเจนไนด์โลหะทรานซิชัน) ความสามารถในการใช้กับวัสดุที่แตกต่างกันหมายความว่าอิเล็กโทรไลต์อะซิเตตสามารถใช้ร่วมกับวัสดุ 2D ที่แตกต่างกันได้ เพื่อปรับปรุงความสามารถของ AIB แนวทางนี้ยังมีศักยภาพที่จะทำลายข้อจำกัดด้านกำลังการผลิตทั้งใน Faradaic (รีดอกซ์) และไม่ใช่ Faradaic (ปฏิกิริยาระหว่างไฟฟ้าสถิตเท่านั้น) และอาจเสนอวิธีในการปรับปรุง AIB ต่างๆ และนำไปสู่การสร้างแบตเตอรี่ที่ยั่งยืนมากขึ้น 

ข้อควรพิจารณาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมและความปลอดภัยของแบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออน

การเปลี่ยนไปใช้แบตเตอรี่แอมโมเนียมไอออน (AIB) ไม่เพียงแต่เป็นการปรับปรุงด้านเทคนิคเหนือระบบแบตเตอรี่แบบเดิมๆ แต่ยังเป็นก้าวสำคัญในการอนุรักษ์สิ่งแวดล้อมอีกด้วย AIB ใช้วัสดุที่เป็นอันตรายน้อยกว่าและเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีที่ปลอดภัยกว่า ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดอุบัติเหตุและลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม การศึกษาเช่นเดียวกับจาก Sun และคณะ ใน การสื่อสารธรรมชาติ ได้แสดงให้เห็นว่าการใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ปลอดภัยกว่า เช่น แอมโมเนียมอะซิเตต ช่วยลดความเสี่ยงได้อย่างมาก เช่น การหนีความร้อนและการชะล้างสารเคมี ทำให้ AIB เป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับการจัดเก็บพลังงานที่ยั่งยืน

อ้างอิง: 

Sun Z. et al. อิเล็กโทรไลต์อะซิเตตเพื่อเพิ่มความจุเทียมในแบตเตอรี่ไอออนแอมโมเนียมที่เป็นน้ำ, Nature Communications, 15, (2024), 1934