ทีมงานที่นําโดยคณะวิศวกรรมโมเลกุล Pritzker ของมหาวิทยาลัยชิคาโกได้ค้นพบความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์พื้นฐานโดยการค้นพบวัสดุที่หดตัวเมื่อได้รับความร้อนและขยายตัวภายใต้ความกดดัน

อะไรขยายตัวเมื่อบีบและหดตัวเมื่อถูกความร้อน ทั้งเพื่อเปลี่ยนความเข้าใจพื้นฐานของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับวัสดุและเพื่อฟื้นฟูแบตเตอรี่ EV เก่าให้มีประสิทธิภาพใหม่

ไม่ใช่เรื่องลึกลับ แต่เป็นวัสดุใหม่ที่น่าทึ่งที่ค้นพบโดยนักวิจัยแบตเตอรี่ที่ Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) ของมหาวิทยาลัยชิคาโก โดยร่วมมือกับนักวิทยาศาสตร์ที่มาเยี่ยมเยียนจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโก ทีมงานได้ค้นพบวัสดุที่แสดงคุณสมบัติการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบในสถานะที่ใช้งานออกซิเจนรีดอกซ์ที่มีเสถียรภาพ

พูดง่ายๆ ก็คือ วัสดุที่พัฒนาโดยนักวิจัยเหล่านี้ดูเหมือนจะขัดกับความคาดหวังแบบดั้งเดิมตามอุณหพลศาสตร์ โดยทั่วไปปฏิกิริยาของวัสดุที่มีความเสถียรต่อความร้อนความดันหรือไฟฟ้าสามารถคาดเดาได้ อย่างไรก็ตาม ในความแปรปรวนที่เพิ่งค้นพบ ปฏิกิริยาเหล่านี้จะกลับด้าน โดยประพฤติตนตรงกันข้ามกับบรรทัดฐานดั้งเดิมโดยสิ้นเชิง

"เมื่อคุณให้ความร้อนกับวัสดุ ปริมาตรจะไม่เปลี่ยนแปลง เมื่อได้รับความร้อน วัสดุจะหดตัวแทนที่จะขยายตัว" Shirley Meng ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโมเลกุลที่ PME Liew Family ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก และผู้อํานวยการโครงการริเริ่มเทคโนโลยีพลังงานที่สถาบันเพื่อสภาพภูมิอากาศและการเติบโตอย่างยั่งยืนที่เพิ่งก่อตั้งขึ้นใหม่กล่าว "เราเชื่อว่าเราสามารถปรับคุณสมบัติของวัสดุเหล่านี้ได้ผ่านทางเคมีรีดอกซ์ สิ่งนี้สามารถนําไปสู่การใช้งานที่น่าตื่นเต้นมาก ”

การค้นพบของพวกเขาได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature

"เป้าหมายประการหนึ่งคือการย้ายวัสดุเหล่านี้จากการวิจัยไปสู่อุตสาหกรรม ซึ่งอาจพัฒนาแบตเตอรี่ใหม่ที่มีพลังงานจําเพาะสูงขึ้น" Bao Qiu นักวิชาการเยี่ยมเยียนจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโกจากสถาบันเทคโนโลยีและวิศวกรรมวัสดุหนิงโป (NIMTE) กล่าว

นอกเหนือจากเทคโนโลยีใหม่ๆ มากมายที่การค้นพบนี้นํามาซึ่งการวิจัยนี้ยังแสดงถึงความก้าวหน้าในวิทยาศาสตร์บริสุทธิ์ สําหรับ Shirley Meng มันน่าตื่นเต้นยิ่งขึ้นไปอีก

"สิ่งนี้ได้เปลี่ยนความเข้าใจของเราเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์พื้นฐาน" Shirley Meng กล่าว "งานของเราได้รับคําแนะนําจากแบบจําลองของมหาวิทยาลัยชิคาโก ซึ่งส่งเสริมการสืบค้นและการพัฒนาความรู้"

อาคาร แบตเตอรี่ และ "ความคิดบ้า"

ด้วยการปรับแต่งวิธีที่วัสดุเหล่านี้ตอบสนองต่อความร้อนและพลังงานรูปแบบอื่น ๆ นักวิจัยสามารถสร้างวัสดุที่มีการขยายตัวทางความร้อนเป็นศูนย์ สิ่งนี้สามารถปฏิวัติพื้นที่ต่างๆ เช่น การก่อสร้าง

"ฉันจะบอกว่าวัสดุขยายตัวทางความร้อนเป็นศูนย์เป็นความฝัน" ผู้ช่วยวิจัย PME ของมหาวิทยาลัยชิคาโกกล่าว ศาสตราจารย์ Minghao Zhang เป็นผู้เขียนร่วมของบทความนี้ "ยกตัวอย่างอาคารแต่ละหลัง คุณไม่ต้องการให้วัสดุที่ประกอบเป็นส่วนประกอบต่างๆ เปลี่ยนปริมาตรบ่อยเกินไป ”

แต่ความร้อนเป็นเพียงพลังงานรูปแบบหนึ่ง เพื่อทดสอบว่าวัสดุเหล่านี้ทําปฏิกิริยากับพลังงานกลอย่างไร พวกมันจึงบีบอัดให้อยู่ในระดับกิกะปาสกาล ซึ่งเป็นระดับความดันที่สูงมากจนมักใช้เฉพาะเมื่อพูดถึงกิจกรรมของแผ่นเปลือกโลกเท่านั้น พวกเขาพบสิ่งที่เรียกว่า "การบีบอัดเชิงลบ"

"การบีบอัดเชิงลบก็เหมือนกับการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบ" ศาสตราจารย์จางกล่าว "หากคุณบีบอัดอนุภาควัสดุจากทุกทิศทางอย่างที่คุณสามารถจินตนาการได้ มันจะหดตัวตามธรรมชาติ แต่วัสดุนี้ขยายตัว ”

ศาสตราจารย์จางกล่าวว่าวัสดุที่สามารถต้านทานอุณหภูมิหรือความดันสูงสามารถรับรู้ "ความคิดบ้า" ทางทฤษฎีก่อนหน้านี้ได้ เขายกตัวอย่างแบตเตอรี่โครงสร้าง ซึ่งผนังกั้นของเครื่องบินไฟฟ้าทั้งหมดเป็นสองเท่าของผนังแบตเตอรี่ ซึ่งช่วยสร้างเครื่องบินที่เบาและมีประสิทธิภาพมากขึ้น วัสดุใหม่เหล่านี้สามารถปกป้องเซลล์แบตเตอรี่จากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันในระดับความสูงที่แตกต่างกันทําให้ท้องฟ้าไม่ใช่ขีดจํากัดของเทคโนโลยีใหม่นี้อีกต่อไป

ทําให้รถยนต์ไฟฟ้ารุ่นเก่าของคุณมีรูปลักษณ์ใหม่

เช่นเดียวกับความร้อนและความดันการตอบสนองของวัสดุที่มีเสถียรภาพต่อพลังงานไฟฟ้าเคมี (แรงดันไฟฟ้า) จะกลับด้าน

"นี่ไม่เพียงแต่เป็นการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่สําคัญเท่านั้น แต่ยังใช้ได้กับการวิจัยแบตเตอรี่มาก" ศาสตราจารย์จางกล่าว "เมื่อเราใช้แรงดันไฟฟ้า เราจะขับเคลื่อนวัสดุกลับสู่สถานะเดิม เรารีไซเคิลแบตเตอรี่ ”

หากต้องการทําความเข้าใจ metastability ให้จินตนาการถึงลูกบอลบนภูเขา ลูกบอลไม่เสถียรที่ยอดเขา มันจะกลิ้งลง มีเสถียรภาพที่เชิงเขา มันไม่กลิ้ง ความเสถียรอยู่ระหว่างลูกบอลใกล้กับยอดเขา แต่เกาะอยู่บนสนามหญ้า ความเสถียรในการเปลี่ยนแปลงนี้ค่อนข้างคงอยู่ เช่น เพชรเป็นรูปแบบเมตาเสถียรของกราไฟท์ แต่จําเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อผลักดันสาร metastable ออกจาก "สนามหญ้า" เพื่อให้สามารถหมุนกลับสู่สภาวะคงที่ได้

"เพื่อให้วัสดุกลับสู่สภาวะคงที่จากความเสถียร คุณไม่จําเป็นต้องใช้พลังงานความร้อนเสมอไป" "คุณสามารถใช้พลังงานชนิดใดก็ได้เพื่อขับเคลื่อนระบบ"

สิ่งนี้เปิดทางให้รีเซ็ตแบตเตอรี่ EV ที่เสื่อมสภาพ ตัวอย่างเช่น รถยนต์ไฟฟ้าที่สามารถวิ่งได้ 200 ไมล์ต่อการชาร์จหนึ่งครั้งสามารถเดินทางได้เพียง 0 หรือ 0 ไมล์ก่อนชาร์จหลังจากขับรถมาหลายปี การใช้ไดรฟ์ไฟฟ้าเคมีเพื่อผลักดันวัสดุเหล่านี้ให้กลับสู่สถานะคงที่สามารถฟื้นฟูรถให้กลับสู่ระยะที่เคยมีเมื่อยังเป็นรถใหม่ได้

"คุณไม่จําเป็นต้องส่งแบตเตอรี่กลับไปยังผู้ผลิตหรือซัพพลายเออร์ใดๆ คุณเพียงแค่ต้องเริ่มต้นแรงดันไฟฟ้านี้" ศาสตราจารย์จางกล่าว "เอาล่ะ รถของคุณจะเป็นรถใหม่ แบตเตอรี่ของคุณจะเป็นแบตเตอรี่ใหม่ ”

นักวิจัยกล่าวว่าขั้นตอนต่อไปคือการใช้เคมีรีดอกซ์ต่อไปเพื่อตรวจสอบวัสดุและ "แยกจุดวิกฤต" สํารวจขอบเขตของพรมแดนใหม่ของการวิจัยขั้นพื้นฐานนี้