สุดทึ่งผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนจากเถ้าแกลบ

ขอนแก่น-นักวิจัย ม.ขอนแก่น ผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนจากเถ้าแกลบเก็บพลังงานได้มากกว่าคาร์บอน 2 เท่า

ผศ.ดร.รัชฎา  ตั้งวงศ์ไชย ผู้ช่วยอธิการบดีมหาวิทยาลัยขอนแก่น (มข.)  เปิดเผยว่า  คณะนักวิจัย มข. ได้ทำการวิเคราะห์และวิจัยวัสดุนาโน ทั้งนาโนซิลิกอน นาโนซิลิกา และนาโนซิลิกอนคาร์ไบด์ที่กำลังอยู่ในขั้นตอนของการศึกษาวิจัยจากเถ้าแกลบ โดยวัสดุนาโนที่ได้ สามารถนำไปใช้แทนคาร์บอนซึ่งเป็นวัสดุสำหรับทำขั้วไฟฟ้าแอโนดหรือขั้วลบของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน ที่สามารถกักเก็บพลังงานได้มากกว่าคาร์บอน 12 เท่า โดยงานวิจัยนี้ เป็นหนึ่งในสามหัวข้องานวิจัยหลักของห้องปฏิบัติการและวิจัยวัสดุขั้นสูงเพื่อกักเก็บพลังงาน (Advanced Energy Storage Materials Laboratory) ด้วการศึกษาพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงเฟสของวัสดุ ขณะใช้งานด้วยเทคนิควิเคราะห์ขั้นสูง และการนำวัสดุธรรมชาติมาผลิตเป็นขั้วไฟฟ้าและส่วนประกอบของแบตเตอรี่เพื่อเพิ่มมูลค่าของสินค้าเกษตร ซึ่งงานวิจัยดังกล่าว เป็นเรื่องที่ทั่วโลกให้ความสนใจ และนับเป็นความหวังของมวลมนุษยชาติ เพราะเทคโนโลยีของแบตเตอรี่จะต้องถูกพัฒนาเพื่อรองรับเทคโนโลยีที่ก้าวล้ำ แม้กระทั่งโรงไฟฟ้าพลังแสงอาทิตย์ หรือโรงไฟฟ้าพลังงานลม เพื่อใช้แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนเป็นแหล่งจ่ายและกักเก็บพลังงาน โดยแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนเป็นตัวกักเก็บพลังงานไฟฟ้าที่มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา สามารถกักเก็บพลังงานได้สูงที่สุดเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ประจุไฟใหม่อื่นๆที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ และมีระยะเวลาใช้งานก่อนจะประจุไฟใหม่ยาวนาน จึงมีความสำคัญต่อการพัฒนาในหลายอุตสาหกรรม โดยประกอบด้วยส่วนประกอบหลักที่สำคัญ 4 ส่วน ได้แก่ ขั้วไฟฟ้าซึ่งมีทั้งขั้วแคโทดและขั้วแอโนด แผ่นกั้นในแบตเตอรี่ซึ่งช่วยป้องกันกระแสลัดวงจรโดยทำให้ขั้วแคโทดไม่สัมผัสกับขั้วแอโนด สารละลายอิเล็กโทรไลต์ และตัวรับกระแสซึ่งเป็นโลหะตัวนำทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนไหลผ่านออกสู่วงจรภายนอก และเกิดการนำพลังงานไฟฟ้าไปใช้ประโยชน์ต่างๆ ทั้งนี้ ความสามารถในการกักเก็บพลังงานของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่สำคัญขึ้นอยู่กับชนิดและสมบัติของวัสดุที่นำมาทำขั้วแคโทดและแอโนด
 
ผศ.ดร.สมเกียรติ ศรีจารนัย คณบดีคณะวิทยาศาสตร์ มข.กล่าวว่า วัสดุแกรไฟต์เป็นวัสดุหลักที่ถูกนำมาใช้เชิงพาณิชย์ แต่เมื่อประจุไฟเข้าไป ลิเทียมไอออนจะเข้าไปอัดตัวอยู่ในโครงสร้างของแกรไฟต์ในรูปของสารประกอบ LixC6 ซึ่งมีความปลอดภัยสูงกว่าการใช้โลหะลิเทียมทำขั้วไฟฟ้าโดยตรงแต่สามารถกักเก็บพลังงานได้น้อย จึงมีความจำเป็นที่จะต้องหาวัสดุอื่นมาทดแทน โดยนักวิจัยพบว่านาโนซิลิกอนเหมาะสำหรับทำขั้วแอโนด เนื่องจากมีความสามารถในการรับลิเทียมไอออนมากกว่าแกรไฟต์กว่า 12 เท่า ดังนั้นหากนำวัสดุนี้มาใช้งานจริง จะทำให้ขนาดของแบตเตอรี่ลดลงโดยที่ประสิทธิภาพเท่าเดิม หรือแบตเตอรี่ที่ขนาดเท่าเดิมแต่สามารถใช้งานได้นานขึ้นต่อการประจุไฟ 1 ครั้ง อย่างไรก็ดี วัสดุนี้มีข้อเสีย คือ การขยายตัวอย่างมากเมื่อถูกอัดลิเทียมไอออนเข้าไปในโครงสร้าง ส่งผลให้วัสดุมีโอกาสเสื่อมสภาพได้ ดังนั้น การออกแบบเพื่อการนำไปใช้งานจริง จะต้องนำไปใช้ร่วมกับวัสดุอื่นที่มีความแข็งแรง และมีการหดหรือขยายตัวเมื่อถูกอัดลิเทียมไอออนเข้าไปในโครงสร้างต่ำ โดยทางทีมวิจัย ได้นำวัสดุนาโนที่ได้มาทำคอมพอสิตกับวัสดุต่างๆ เช่น กราฟีนออกไซด์ วัสดุ Li4Ti5O12 และวัสดุแกรไฟต์ ซึ่งกำลังอยู่ในขั้นตอนของการวิจัย เพื่อทำให้มีวัสดุที่สามารถดูดซับลิเทียมไอออนได้มากและมีอายุการใช้งานที่ยาวนานมากขี้น
         
“วิธีการดำเนินการวิจัยของห้องแล็บของเรา จะเริ่มจากการสังเคราะห์วัสดุ จากนั้นจะนำวัสดุมาขึ้นรูป สร้างเป็นแบตเตอร์รี่ และศึกษาพฤติกรรมของวัสดุโดยใช้หลักการทางเคมีและฟิสิกส์ เพื่ออธิบายหรือทำความเข้าใจวัสดุนั้นๆในด้านต่างๆ อาทิ ประสิทธิภาพการใช้งาน ความสามารถในการกักเก็บพลังงาน ความสามารถในการให้กำลัง ความปลอดภัยการใช้งานวัสดุ และการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ เพื่อให้สามารถออกแบบแบตเตอรี่ที่เหมาะสมกับการใช้งานแต่ละประเภท โดยวัสดุที่สังเคราะห์ขึ้นมามีทั้งวัสดุที่ทั่วโลกกำลังให้ความสนใจ แต่ต้องนำเข้าสารตั้งต้นที่มีราคาแพงจากต่างประเทศ และวัสดุที่สามารถสังเคราะห์ขึ้นจากวัสดุธรรมชาติ โดยเฉพาะจากสิ่งเหลือทิ้งทางการเกษตรและอุตสาหกรรม เช่น แกลบ หรือเถ้าแกลบ ซึ่งสามารถนำมาเป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์นาโนซิลิกอนและนาโนซิลิกาสำหรับทำขั้วไฟฟ้าในแบตเตอร์รี่ชนิดลิเทียมไอออนได้ที่มีมูลค่าสูง ทั้งยังสามารถกำจัดของเหลือทิ้ง และทำให้กระบวนการเป็น Zero Waste เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นด้วย”

คณบดีคณะวิทยาศาสตร์ มข. กล่าวเพิ่มเติมว่า  วัสดุสำหรับทำขั้วแคโทดในปัจจุบันมี 3 ประเภทหลัก คือ วัสดุประเภทเลเยอร์ (layered structure) เช่น LiCoO2 วัสดุประเภทสปิเนล (spinel structure) เช่น LiMn2O4 และวัสดุประเภทโอลิวีน (Olivine structure) เช่น LiFePO4 วัสดุทำขั้วแคโทดของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาส่วนใหญ่จะใช้วัสดุ LiCoO2 เพราะโคบอลต์เป็นธาตุที่มีปริมาณน้อย ราคาสูง และไม่ปลอดภัย ส่วนงานที่ต้องการความปลอดภัยสูงและใช้วัสดุปริมาณมาก เช่น รถยนต์ไฟฟ้า จะใช้วัสดุประเภทสปิเนล คือ LiMn2O4 ซึ่งเป็นวัสดุที่มีราคาถูกกว่าและปลอดภัยกว่า LiCoO2 เนื่องจากใช้แมงกานีสเป็นธาตุหลักแทนโคบอลต์ แต่มีข้อเสียในเรื่องโครงสร้างที่ซับซ้อน มีกลไกการเปลี่ยนเฟสขณะใช้งานของวัสดุที่ซับซ้อน และไม่เสถียรเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูงเกินกว่า 50 องศาเซลเซียส ในขณะที่วัสดุประเภทโอลิวีน LiFePO4 แม้มีความสามารถในการเก็บพลังงานได้น้อยกว่าทั้งสปิเนลและเลเยอร์ แต่เป็นวัสดุที่มีราคาถูก เพราะธาตุเหล็กหาง่ายและราคาถูกกว่าโคบอลต์มาก และยังเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม มีความเสถียรมากที่อุณหภูมิสูง และมีความปลอดภัยสูง วัสดุ LiFePO4 จึงถูกนำมาใช้ในรถยนต์พลังงานไฟฟ้ามากขึ้นเรื่อยๆ รวมถึงนำมาใช้สำหรับกักเก็บพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน หรืองานที่มีสเกลขนาดใหญ่อื่นๆด้วย