ในขณะที่ความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น นักวิทยาศาสตร์กำลังค้นหาวัสดุเพื่อผลิตแบตเตอรี่ที่ยั่งยืน ลิกนิน สิ่งที่ทำให้ต้นไม้มีเนื้อไม้ กำลังกลายเป็นคู่แข่งที่แข็งแกร่ง

โดย: Chris Baraniuk

ประมาณแปดปีที่แล้ว ผู้ผลิตกระดาษรายใหญ่ในฟินแลนด์ตระหนักว่าโลกกำลังเปลี่ยนไป การเพิ่มขึ้นของสื่อดิจิทัล การลดลงของการพิมพ์ในสำนักงาน และความนิยมที่ลดน้อยลงในการส่งสิ่งของทางไปรษณีย์รวมถึงปัจจัยอื่น ๆ หมายความว่าความต้องการกระดาษเริ่มลดลงอย่างต่อเนื่อง

Stora Enso ในฟินแลนด์ อธิบายตัวเองว่าเป็น "หนึ่งในเจ้าของป่าส่วนตัวที่ใหญ่ที่สุดในโลก" ด้วยเหตุนี้จึงมีต้นไม้จำนวนมากซึ่งใช้ทำผลิตภัณฑ์จากไม้ กระดาษ และบรรจุภัณฑ์ เป็นต้น ตอนนี้ก็ต้องการผลิตแบตเตอรี่เช่นกัน – แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่ชาร์จได้ในเวลาเพียงแปดนาที

บริษัทจ้างวิศวกรเพื่อตรวจสอบความเป็นไปได้ในการใช้ลิกนิน ซึ่งเป็นโพลิเมอร์ที่พบในต้นไม้ ประมาณ 30% ของต้นไม้เป็นลิกนิน ขึ้นอยู่กับสายพันธุ์ ส่วนที่เหลือส่วนใหญ่เป็นเซลลูโลส

Lauri Lehtonen หัวหน้าโซลูชันแบตเตอรี่ลิกนินของ Stora Enso, Lignode อธิบายว่า "ลิกนินเป็นกาวในต้นไม้ที่เชื่อมเส้นใยเซลลูโลสเข้าด้วยกัน และทำให้ต้นไม้แข็งมาก"

ลิกนินซึ่งเป็นโพลิเมอร์ประกอบด้วยคาร์บอน และคาร์บอนก็เป็นวัสดุที่ดีเยี่ยมสำหรับส่วนประกอบที่สำคัญในแบตเตอรี่ที่เรียกว่าแอโนด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในโทรศัพท์ของคุณมีกราไฟต์แอโนดเกือบแน่นอนอยู่แล้ว กราไฟต์เป็นคาร์บอนรูปแบบหนึ่งที่มีโครงสร้างเป็นชั้นๆ

วิศวกรของ Stora Enso ตัดสินใจว่าพวกเขาสามารถสกัดลิกนินจากเยื่อกระดาษเหลือทิ้งที่ผลิตแล้วในโรงงานบางแห่ง และแปรรูปลิกนินเพื่อสร้างวัสดุคาร์บอนสำหรับแอโนดของแบตเตอรี่ บริษัทกำลังร่วมมือกับบริษัท Northvolt ของสวีเดน และวางแผนที่จะผลิตแบตเตอรี่อย่างเร็วที่สุดในปี 2568

โรงงานกระดาษผลิตลิกนินเสียจำนวนมาก ซึ่งสามารถนำไปใช้เพื่อวัตถุประสงค์อื่นได้ รวมถึงการทำส่วนประกอบของแบตเตอรี่ (Credit: Getty Images)

เนื่องจากผู้คนซื้อรถยนต์ไฟฟ้าและเก็บพลังงานไว้ที่บ้านมากขึ้นเรื่อย ๆ ความต้องการแบตเตอรี่ทั่วโลกจึงคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า ดังที่ Lehtonen มองว่า "ความต้องการเป็นสิ่งที่เหลือเชื่อ"

ในปี พ.ศ. 2558 จำเป็นต้องใช้กิกะวัตต์ชั่วโมง (GWh) เพิ่มเติมทุกปีในสต็อกแบตเตอรี่ของโลก – แต่จะพุ่งเป็นสองสามพัน GWh เพิ่มเติมต่อปีภายในปี พ.ศ. 2573 เมื่อโลกเลิกใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล ตามที่ที่ปรึกษาด้านการจัดการ McKinsey กล่าว ปัญหาคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เราใช้กันในปัจจุบันส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับ กระบวนการทางอุตสาหกรรม และการทำเหมือง ที่ ทำลายสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ วัสดุบางอย่างสำหรับแบตเตอรี่เหล่านี้ยังเป็นพิษและยากต่อการรีไซเคิล จำนวนมากมาจากประเทศที่มีประวัติด้านสิทธิมนุษยชนไม่ดี

ตัวอย่างเช่น การผลิตกราไฟต์สังเคราะห์เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่คาร์บอนจนถึงอุณหภูมิสูงถึง 3,000C (5,432F) เป็นเวลาหลายสัปดาห์ต่อครั้ง พลังงานสำหรับสิ่งนี้มักมาจากโรงไฟฟ้าถ่านหินในจีนตามที่ที่ปรึกษา Wood Mackenzie กล่าว

การค้นหาวัสดุแบตเตอรี่ที่ยั่งยืนนั้นมีอยู่ทั่วไป บางคนบอกว่าเราสามารถพบได้บนต้นไม้

โดยทั่วไป แบตเตอรี่ทั้งหมดต้องมีแคโทดและแอโนด ซึ่งเป็นขั้วบวกและขั้วลบ ตามลำดับ ซึ่งอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเรียกว่าการไหลของไอออน เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ ลิเธียมหรือโซเดียมไอออน เช่น ถ่ายโอนจากแคโทดไปยังแอโนด ซึ่งพวกมันจะเกาะตัวเหมือนรถยนต์ในที่จอดรถหลายชั้น Jill Pestana นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรแบตเตอรี่ในแคลิฟอร์เนียอธิบาย ซึ่งปัจจุบันทำงานเป็น ที่ปรึกษาอิสระ

"คุณสมบัติหลักที่คุณต้องการในโครงสร้างที่จอดรถของวัสดุนี้คือสามารถรับลิเธียมหรือโซเดียมและทิ้งไว้ได้อย่างง่ายดาย และไม่แตกเป็นชิ้นเล็กชิ้นน้อย" เธออธิบาย

เมื่อแบตเตอรี่ถูกคายประจุเพื่อจ่ายไฟให้กับรถยนต์ไฟฟ้า ไอออนจะเคลื่อนกลับไปที่แคโทดหลังจากปล่อยอิเล็กตรอนอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านเส้นลวดในวงจรไฟฟ้า เพื่อถ่ายโอนพลังงานไปยังรถยนต์

Pestana กล่าวว่ากราไฟต์เป็นวัสดุที่ "น่าตื่นเต้น" เนื่องจากใช้งานได้ดีพอๆ กับขั้วบวกที่เชื่อถือได้ซึ่งช่วยให้เกิดปฏิกิริยาดังกล่าวได้ ทางเลือกอื่นรวมถึงโครงสร้างคาร์บอนที่ได้จากลิกนินกำลังต่อสู้เพื่อแสดงให้เห็นว่าพวกเขาพร้อมสำหรับงานนี้

มีหลายบริษัทที่สำรวจศักยภาพของลิกนินในการพัฒนาแบตเตอรี่ เช่น Bright Day Graphene ในสวีเดนซึ่งผลิตกราฟีนซึ่งเป็นคาร์บอนอีกรูปแบบหนึ่งจากลิกนิน

Lehtonen ยกย่องคุณงามความดีของวัสดุคาร์บอนแอโนดของบริษัทของเขา ซึ่ง Stora Enso ตั้งชื่อว่าLignode เขาจะไม่เปิดเผยแน่ชัดว่าบริษัทเปลี่ยนลิกนินเป็นโครงสร้างคาร์บอนแข็งได้อย่างไร หรือโครงสร้างนั้นคืออะไรกันแน่ เว้นแต่จะบอกว่ากระบวนการเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ลิกนิน – แต่ไม่มีที่ไหนเลยที่ใกล้จะสูงเท่าที่จำเป็นสำหรับการผลิตกราไฟท์สังเคราะห์.

ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของโครงสร้างคาร์บอนที่เกิดขึ้นคือมันเป็น "อสัณฐาน" หรือรูปร่างไม่สม่ำเสมอ Lehtonen กล่าว "จริง ๆ แล้วมันทำให้ไอออนเคลื่อนที่เข้าและออกได้มากขึ้น"

Stora Enso อ้างว่าสิ่งนี้จะช่วยให้พวกเขาสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือโซเดียมไอออนที่สามารถชาร์จได้ในเวลาเพียงแปดนาที การชาร์จอย่างรวดเร็วเป็นเป้าหมายหลักสำหรับผู้พัฒนาแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า

ความยั่งยืนของแบตเตอรี่ที่ทำจากเยื่อกระดาษเหลือใช้ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย รวมทั้งต้องแน่ใจว่าวัตถุดิบมาจากของเสียอย่างแท้จริง (Credit: Stora Enso)

แยกงานวิจัยเกี่ยวกับแอโนดคาร์บอนที่ได้จากลิกนิน โดย Magda Titirici จาก Imperial College London ในสหราชอาณาจักรและเพื่อนร่วมงาน เสนอว่าเป็นไปได้ที่จะสร้างแผ่นนำไฟฟ้าที่มีโครงสร้างคาร์บอนที่ซับซ้อนและผิดปกติซึ่งมีข้อบกพร่องที่อุดมด้วยออกซิเจนจำนวนมาก ข้อบกพร่องเหล่านี้ดูเหมือนจะเพิ่มปฏิกิริยาของขั้วบวกด้วยไอออนที่ถ่ายโอนจากแคโทดในแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ทิทิริชี่กล่าว ซึ่งจะทำให้เวลาในการชาร์จสั้นลง: "แผ่นนำไฟฟ้านี้ยอดเยี่ยมสำหรับแบตเตอรี่"

Wyatt Tenhaeff จากมหาวิทยาลัยโรเชสเตอร์ในรัฐนิวยอร์ก ได้ทำแอโนดที่ได้จากลิกนินในห้องปฏิบัติการด้วย Lignin นั้น "เจ๋งมาก" เขากล่าว เพราะมันเป็นผลพลอยได้ที่อาจมีประโยชน์มากมาย ในการทดลอง เขาและเพื่อนร่วมงานพบว่าพวกเขาสามารถใช้ลิกนินเพื่อสร้างขั้วบวกที่มีโครงสร้างพยุงตัวเองได้ ซึ่งไม่ต้องใช้กาวหรือตัวเก็บกระแสที่มีทองแดงเป็นองค์ประกอบ ซึ่งเป็นส่วนประกอบทั่วไปในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แม้ว่าสิ่งนี้จะช่วยลดต้นทุนของแอโนดคาร์บอนที่ได้จากลิกนิน แต่เขาก็ไม่เชื่อว่าพวกมันจะสามารถแข่งขันในเชิงพาณิชย์กับแอโนดกราไฟต์ได้

“ผมแค่ไม่คิดว่ามันจะเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่พอในแง่ของต้นทุนหรือประสิทธิภาพที่จะมาแทนที่กราไฟท์ที่ยึดเกาะ” เขากล่าว

นอกจากนี้ยังมีเรื่องของความยั่งยืน Chelsea Baldino นักวิจัยจาก International Council on Clean Transportation กล่าวว่า ตราบใดที่ลิกนินที่ใช้ในการผลิตแอโนดถูกสกัดเป็นผลพลอยได้จากกระบวนการผลิตกระดาษ ต้นไม้เพิ่มเติมจะไม่ถูกโค่นเพื่อผลิตแบตเตอรี่ .

โฆษกของ Stora Enso ยืนยันว่า ปัจจุบันลิกนินทั้งหมดที่บริษัทใช้เป็น "ลำธารด้านข้างของกระบวนการผลิตเยื่อกระดาษ" และการใช้ประโยชน์ไม่ได้เป็นการเพิ่มจำนวนต้นไม้ที่โค่นหรือปริมาณไม้ที่ใช้ในการผลิตเยื่อกระดาษ

ใครก็ตามที่ต้องการสร้างแอโนดจากลิกนินต้องแน่ใจว่าป่าไม้ซึ่งเป็นแหล่งที่มาของลิกนินนั้นมีความยั่งยืนเช่นกัน Pestana กล่าวเสริม "หากอุตสาหกรรมเยื่อกระดาษไม่ยั่งยืน วัสดุเองก็ไม่ใช่วัสดุที่ได้มาอย่างยั่งยืน" เธออธิบาย

ตามรายงานประจำปี 2021 ของ Stora Enso บริษัท "รู้ที่มาของไม้ทั้งหมดที่ใช้ และ 100% มาจากแหล่งที่ยั่งยืน"

มีวิธีอื่นอย่างน้อยหนึ่งวิธีที่สามารถใช้ลิกนินในแบตเตอรี่ได้ นอกเหนือจากแอโนด ในเดือนเมษายน ทีมวิจัยในอิตาลีได้ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับความพยายามในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์ที่มีลิกนินเป็นหลัก นี่คือส่วนประกอบที่อยู่ระหว่างแคโทดและแอโนด ช่วยให้ไอออนไหลระหว่างอิเล็กโทรด แต่ยังบังคับให้อิเล็กตรอนไปตามเส้นทางที่ต้องการผ่านวงจรไฟฟ้าที่แบตเตอรี่เชื่อมต่ออยู่ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนกระดอนระหว่างขั้วไฟฟ้าซึ่งจะทำให้สมาร์ทโฟนของคุณตายเหมือนเล็บประตู

คุณสามารถหาโพลิเมอร์สำหรับอิเล็กโทรไลต์จากน้ำมันได้ Gianmarco Griffini จาก Polytechnic University of Milan กล่าว แต่เขาเสริมว่าการหาแหล่งทางเลือกที่ยั่งยืนจะเป็นประโยชน์แทน

เขาอธิบายว่าแนวคิดในการใช้ลิกนินเกิดขึ้นหลังจากที่เขาและเพื่อนร่วมงานได้ทดลองใช้วัสดุดังกล่าวในแผงโซลาร์เซลล์ ซึ่งได้ผลลัพธ์ที่ไม่ค่อยดีนัก "ประสิทธิภาพที่คุณได้รับจากเซลล์แสงอาทิตย์ค่อนข้างจำกัด เนื่องจากลิกนินเป็นสีน้ำตาล ดังนั้นมันจึงดูดกลืนแสงบางส่วน" เขาอธิบาย ในแบตเตอรี่นั้นไม่สำคัญ

สำหรับการผลิตแอโนดนั้น ลิกนินจะได้รับความร้อนเพื่อให้แตกตัวเป็นคาร์บอนที่เป็นส่วนประกอบ แต่ Griffini ซึ่งอธิบายตัวเองว่าเป็น "มนุษย์โพลิเมอร์" กล่าวว่าเขาชอบใช้มันในรูปของโพลิเมอร์ ด้วยเหตุนี้ เขาและเพื่อนร่วมงานจึงพัฒนาเจลโพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ที่ช่วยในการเคลื่อนที่ของไอออนในแบตเตอรี่โพแทสเซียมทดลอง "มันออกมาสวยจริงๆ" เขากล่าว

ความเป็นไปได้ในเชิงพาณิชย์ของแนวคิดเหล่านี้ยังไม่ได้รับการพิสูจน์ Titirici กล่าวเพิ่มเติมว่า ตามทฤษฎีแล้ว คุณสามารถสร้างแบตเตอรี่ที่ใช้โพลิเมอร์จากลิกนินในอิเล็กโทรไลต์ เช่นเดียวกับคาร์บอนที่ได้จากลิกนินในขั้วบวก

นับเป็นอีกหนึ่งความหวังที่สามารถพึ่งพาเป็นแหล่งต้นน้ำพลังงานทางเลือก เมื่อต้องเลิกใช้ฟอสซิล

ที่มา: บีบีซี

ข่าวอื่นที่น่าสนใจ

วิกฤตการสูญพันธุ์ทำให้ 1 ล้านสายพันธุ์ใกล้จะสูญพันธุ์
https://www.thaiquote.org/content/249359

การล่มสลายของแมลง
https://www.thaiquote.org/content/249301

หนังวีแก้นทำจากเศษดอกไม้ของอินเดีย
https://www.thaiquote.org/content/249244