Binder แบตเตอรี่ไร้ฟลูออรีน ลดสารพิษ-รีไซเคิลง่าย

ทีมนักวิจัยจาก UC San Diego และ Toyota พัฒนา Binder สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบใหม่ที่ปราศจากฟลูออรีนและใช้น้ำเป็นตัวทำละลาย นวัตกรรมนี้ช่วยยกเลิกการใช้สารเคมีมีพิษในกระบวนการอบแห้ง และทำให้การแยกชิ้นส่วนทำได้เพียงแค่แช่น้ำ ส่งผลดีต่อผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ (EV) และโรงงานรีไซเคิลแบตเตอรี่ในไทยที่ต้องการลดต้นทุนการจัดการกากของเสีย โดยยังคงประสิทธิภาพการชาร์จไว้ได้เท่าเดิม

กระบวนการผลิตและรีไซเคิลแบตเตอรี่ในปัจจุบันแลกมาด้วยการใช้สารเคมีมีพิษและพลังงานมหาศาล แต่งานวิจัยล่าสุดจากสหรัฐอเมริกาอาจเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญ ด้วยการพัฒนาวัสดุชิ้นเล็กๆ อย่าง ‘กาว’ ภายในแบตเตอรี่ให้ปราศจากสารฟลูออรีนและสามารถละลายน้ำได้ ช่วยลดขยะพิษในอุตสาหกรรมโดยไม่ทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง

ข้อมูลจาก University of California San Diego (UC San Diego) เปิดเผยว่า ทีมนักวิจัยด้านวิศวกรรมเคมีและนาโน ร่วมกับ Toyota Research Institute ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยในวารสาร Nature Communications ว่าด้วยการแก้ปัญหาของ “Binder” หรือวัสดุประสานในแบตเตอรี่ Lithium-ion ซึ่งทำหน้าที่เหมือนกาวที่ยึดเกาะผงขั้วไฟฟ้าให้เป็นแผ่นแข็งก่อนนำไปติดกับแผ่นโลหะบาง แม้จะมีสัดส่วนน้ำหนักเพียงเล็กน้อย แต่ Binder ส่งผลกระทบอย่างมากต่อทั้งขั้นตอนการผลิตและการรีไซเคิล

จุดบอดของ Binder แบบดั้งเดิมที่ใช้ฟลูออรีน

แบตเตอรี่ Lithium-ion ทั่วไปมักใช้ Binder ที่มีส่วนผสมของสารฟลูออรีน (Fluorine) เพราะช่วยให้ขั้วไฟฟ้าติดแน่น สม่ำเสมอ และเสถียรตลอดรอบการชาร์จ แต่ความเสถียรนี้กลับกลายเป็นอุปสรรคใหญ่เมื่อแบตเตอรี่หมดอายุการใช้งาน

ในขั้นตอนการผลิต Binder ที่มีฟลูออรีนจะต้องนำไปละลายในตัวทำละลายที่มีพิษก่อนนำไปผสมกับผงขั้วไฟฟ้า หลังจากนั้นต้องใช้เตาอบขนาดใหญ่เพื่อระเหยตัวทำละลายออก และต้องผ่านกระบวนการสกัดตัวทำละลายกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งเพิ่มทั้งต้นทุน การใช้พลังงาน และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ เมื่อเข้าสู่ขั้นตอนการรีไซเคิล สารฟลูออรีนที่ทนทานสูงจำเป็นต้องใช้ความร้อนจัดหรือสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเพื่อลอกออก ก่อให้เกิดขยะอันตรายและสารตกค้างที่ทำให้การนำวัสดุกลับมาใช้ใหม่ทำได้ยาก

ทางออกใหม่: ละลายด้วย ‘น้ำ’ และส่วนผสมจากธรรมชาติ

เพื่อแก้ปัญหาทั้งหมด ทีมวิจัยจาก UC San Diego ได้พัฒนา Binder ชนิดใหม่ที่ปราศจากฟลูออรีนและใช้ ‘น้ำ’ เป็นตัวทำละลายหลัก ซึ่งแม้ว่าที่ผ่านมาจะมี Binder แบบละลายน้ำได้อยู่บ้าง แต่ส่วนใหญ่มักขาดความทนทานที่จำเป็นสำหรับแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูง

Binder นวัตกรรมใหม่นี้เกิดจากการนำโพลีเมอร์ราคาถูก 2 ชนิดมาผสมกัน ได้แก่ Polyacrylic Acid ซึ่งช่วยให้ส่วนผสมกระจายตัวได้ดีและเพิ่มความยืดหยุ่น และ Carboxymethyl Cellulose ซึ่งเป็นวัสดุสกัดจากพืชที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหารและกระดาษ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและการยึดเกาะ

เมื่อนำโพลีเมอร์ทั้งสองมาละลายน้ำ ทีมวิจัยได้เติม Citric Acid (กรดซิตริกที่พบในผลไม้รสเปรี้ยว) ลงไปเพื่อสร้างพันธะเคมีเชื่อมโพลีเมอร์เข้าด้วยกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงข่ายที่แข็งแกร่ง ยืดหยุ่น และยึดเกาะได้ดีเยี่ยมเทียบเท่า Binder แบบเดิมที่มีฟลูออรีน

ประสิทธิภาพคงเดิม เพิ่มเติมคือรีไซเคิลสะอาดหมดจด

การทดสอบยืนยันว่า แบตเตอรี่ที่ใช้ Binder ปราศจากฟลูออรีนตัวใหม่นี้ ให้ประสิทธิภาพเริ่มต้นเทียบเท่าแบตเตอรี่ Lithium-ion ทั่วไป และสามารถรักษาระดับความจุพลังงานได้ยาวนานกว่าแม้ผ่านการชาร์จหลายพันรอบ อีกทั้งยังรองรับการทำงานร่วมกับขั้วไฟฟ้าหลายชนิด ทั้งขั้วแคโทดแบบ LFP, Nickel-rich และขั้วแอโนดแบบ Graphite รวมถึง Silicon

ที่สำคัญที่สุดคือความง่ายในการรีไซเคิล ผู้ปฏิบัติงานเพียงแค่แยกชิ้นส่วนแบตเตอรี่แล้วนำขั้วอิเล็กโทรดไปแช่น้ำ Binder จะละลายตัวและแยกออกจากแผ่นโลหะได้อย่างสะอาดโดยไม่ทิ้งสารตกค้าง วัสดุที่ได้สามารถนำไปเข้ากระบวนการผลิตแบตเตอรี่ก้อนใหม่ที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่าเดิมได้ทันที

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังเร่งขยายผลการผลิต Binder เข้าสู่สเกลเชิงพาณิชย์ และร่วมมือกับภาคอุตสาหกรรมเพื่อปรับแต่งให้เหมาะสมกับโครงสร้างเคมีของแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ ต่อไป

ที่มา:
ucsd.edu