เปิดตัว "แบตเตอรี่แก๊ส-ของแข็ง" เครื่องแรกของโลก สร้างความก้าวหน้าครั้งใหม่ในการกักเก็บไฮโดรเจนประสิทธิภาพสูงที่อุณหภูมิและความดันบรรยากาศ

เมื่อไม่นานมานี้ ทีมวิจัยจากสถาบันฟิสิกส์เคมีต้าเหลียน (ต่อไปนี้เรียกว่า "DICP") สังกัดสถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ประสบความสำเร็จในการบรรลุความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีครั้งสำคัญ โดยสร้างแบตเตอรี่ต้นแบบไฮไดรด์ไอออนแบบแก๊ส-ของแข็งเครื่องแรกของโลก (ต่อไปนี้เรียกว่า "แบตเตอรี่แก๊ส-ของแข็ง") ที่ใช้แก๊สไฮโดรเจนและโลหะเป็นขั้วไฟฟ้า แบตเตอรี่นี้ใช้โหมด "การกักเก็บไฮโดรเจน-ไฟฟ้าร่วมกัน" สามารถชาร์จด้วยไฮโดรเจนและปล่อยไฟฟ้า รวมถึงชาร์จด้วยไฟฟ้าและปล่อยไฮโดรเจน ซึ่งเป็นการพิสูจน์ต้นแบบเชิงปฏิบัติสำหรับการกักเก็บไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันแวดล้อม และแก้ปัญหาความท้าทายหลักที่มีมายาวนานในสาขาการใช้ประโยชน์จากพลังงานไฮโดรเจน

มีรายงานว่าไฮไดรด์ไอออนเป็นสถานะ "อิเล็กตรอนอิ่มตัว" ของไฮโดรเจน ในฐานะตัวพาประจุ มีคุณลักษณะเด่นคือมีปฏิกิริยาสูงและพลังงานสูง และถือเป็นหนึ่งในเส้นทางสำคัญสำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตรุ่นถัดไป อย่างไรก็ตาม ไฮไดรด์ไอออนมีความไม่เสถียรอย่างยิ่งภายใต้สภาวะธรรมชาติ คุณสมบัตินี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ยากที่จะนำไปประยุกต์ใช้โดยตรงในการกักเก็บพลังงานเชิงไฟฟ้าเคมี ซึ่งเป็นคอขวดที่จำกัดการพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้อง

เพื่อเอาชนะคอขวดทางเทคโนโลยีนี้ ทีมวิจัย DICP ได้ออกแบบระบบอย่างสร้างสรรค์โดยใช้โลหะแมกนีเซียมและแก๊สไฮโดรเจนเป็นวัสดุแอกทีฟของขั้วแอโนดและแคโทดตามลำดับ ประกอบแบตเตอรี่ไฮไดรด์ไอออนแบบแก๊ส-ของแข็งเครื่องแรกของโลกที่สามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิกว้าง ข้อได้เปรียบหลักของแบตเตอรี่นี้คือการทำให้ไฮไดรด์ไอออนสามารถให้พลังงานสูงแก่แบตเตอรี่ ขณะเดียวกันก็บูรณาการอย่างชาญฉลาดกับการกักเก็บไฮโดรเจนเชิงไฟฟ้าเคมี: ขณะคายประจุ แก๊สไฮโดรเจนจะถูกรีดิวซ์เป็นไฮไดรด์ไอออนที่ขั้วแคโทด ขณะที่โลหะจะถูกออกซิไดซ์เป็นแคตไอออนที่ขั้วแอโนดเพื่อสร้างโลหะไฮไดรด์ ขณะชาร์จ ขั้วไฟฟ้าทั้งสองจะปล่อยโมเลกุลไฮโดรเจนและสร้างโลหะขึ้นใหม่ตามลำดับ ทำให้เกิดผลเสริมฤทธิ์ของการชาร์จ/คายประจุและการกักเก็บ/ปล่อยไฮโดรเจนพร้อมกันอย่างแท้จริง

ข้อมูลการทดลองแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่แก๊ส-ของแข็งมีสมรรถนะที่ยอดเยี่ยม: ในสถานะชาร์จด้วยไฮโดรเจน ความจุการคายประจุเริ่มต้นสูงถึง 1,526 mAh/g เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้า 0.3 V สามารถปล่อยไฮโดรเจนได้ประมาณ 6.0 wt% (คำนวณจาก MgH₂ ในขั้วไฟฟ้า) ที่อุณหภูมิห้อง หลังจาก 60 รอบ อัตราการคงความจุยังคงเกิน 70% และแบตเตอรี่สามารถทำงานได้อย่างเสถียรในช่วงอุณหภูมิกว้างตั้งแต่ -20°C ถึง 90°Cนอกจากนี้ ทีมวิจัยยังนำเซลล์เดี่ยว 10 เซลล์มาต่ออนุกรมเป็นชุดแบตเตอรี่ที่มีแรงดันเอาต์พุตเกิน 2.4 โวลต์ สามารถจุดหลอด LED ได้สำเร็จ ถือเป็นการเปิดตัวอย่างเป็นทางการของแบตเตอรี่ต้นแบบไฮไดรด์ไอออนแบบแก๊ส-ของแข็ง การวิเคราะห์ประสิทธิภาพพลังงานยังชี้ให้เห็นว่าประสิทธิภาพการใช้พลังงานของระบบ "กักเก็บไฮโดรเจน-ไฟฟ้าร่วม" นี้สามารถสูงถึง 93.9% ซึ่งดีขึ้นหนึ่งในสามเมื่อเทียบกับวิธีกักเก็บไฮโดรเจนแบบความร้อนทั่วไป

ผลงานริเริ่มนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเสนอเส้นทางเทคนิคใหม่ทั้งหมดสำหรับการแก้ปัญหาการกักเก็บไฮโดรเจนที่คงอยู่ในวงการใช้ประโยชน์พลังงานไฮโดรเจนมานานกว่าครึ่งศตวรรษ ขจัดเงื่อนไขสุดขั้วที่จำเป็นสำหรับการกักเก็บไฮโดรเจนแบบดั้งเดิมได้อย่างสิ้นเชิง เช่น แรงดันสูง (700 บรรยากาศ) หรืออุณหภูมิต่ำยิ่งยวด (-253°C) และคาดว่าจะก่อให้เกิดเทคโนโลยีกักเก็บไฮโดรเจนรูปแบบใหม่ ขจัดอุปสรรคสำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานไฮโดรเจนในระดับใหญ่

มองไปข้างหน้า ทีมวิจัย DICP ระบุว่าจะยังคงมุ่งเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีหลัก โดยทุ่มเทความพยายามด้านการวิจัยและพัฒนาไปที่ตัวนำไฮไดรด์ไอออนและวัสดุขั้วไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ปรับปรุงสมรรถนะโดยรวมของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง พัฒนาเทคโนโลยีหลักที่เป็นกรรมสิทธิ์ เร่งการนำแบตเตอรี่ไฮไดรด์ไอออนไปใช้งานจริง และเสริมแรงขับเคลื่อนใหม่ให้กับการพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานไฮโดรเจนระดับโลกอย่างมีคุณภาพ