บทความโดย รศ.ดร.นงลักษณ์ มีทอง และคณะ
วัสดุ LiMn0.5Fe0.5PO4 (LMFP) มีประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีที่ดี และมีค่าความต่างศักย์ที่สูง ทำให้วัสดุนี้มีความหนาแน่นพลังงานที่สูงกว่าวัสดุ LiFePO4 (LFP) ซึ่งเป็นวัสดุขั้วบวกที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ถึง 30% การศึกษาเกี่ยวกับการเปลี่ยนเฟสของวัสดุ LMFP ได้รับความสนใจจากนักวิจัยจำนวนมากควบคู่ไปกับการพัฒนาวัสดุให้มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น ซึ่งโดยทั่วไปจะศึกษาในรูปแบบการวัดแบบคงที่ (Static measurements) หรือที่อัตรากระแสต่ำ ๆ ซึ่งสอดคล้องกับการวิเคราะห์ในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ (Thermodynamic equilibrium) อย่างไรก็ตาม การใช้งานจริงของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนไม่ได้ทำงานภายใต้สภาวะสมดุลดังกล่าว ทำให้การเปลี่ยนเฟสของวัสดุ LMFP ภายใต้สภาวะที่ไม่สมดุล (Non-equilibrium) ยังคงไม่ชัดเจน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อัตรากระแสสูง ๆ ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมุ่งเน้นศึกษาพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงเฟสในขณะที่แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนทำงาน (Charge-discharge processes) ซึ่งอยู่ภายใต้เงื่อนไขสภาวะที่ไม่สมดุลของวัสดุ LMFP ที่อัตรากระแสต่ำและสูงต่างกัน ด้วยเทคนิคซินโครตรอนอินซิทูรังสีเอกซ์ โดยเทคนิคดังกล่าวสามารถให้ข้อมูลในเชิงลึกและแม่นยำสำหรับการศึกษาพฤติกรรมของการเปลี่ยนเฟสของวัสดุ LMFP สำหรับแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนได้
ความเข้าใจพฤติกรรมของการเปลี่ยนเฟสและจลนศาสตร์ของวัสดุขั้วบวกจะช่วยให้นักวัสดุศาสตร์สามารถออกแบบและพัฒนาวัสดุชนิดใหม่สำหรับแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน (LIBs) ให้มีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานจริงในเชิงพาณิชย์ได้ ดังนั้นในงานวิจัยนี้จะศึกษาพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงเฟสในสภาวการณ์ใช้งานจริงของระบบแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน (Charge-discharge processes) ที่อยู่ภายใต้เงื่อนไขสภาวะที่ไม่สมดุล (Non-equilibrium) ที่อัตรากระแสต่ำและสูงต่างกันของวัสดุขั้วบวก LiMn0.5Fe0.5PO4 (LMFP) ซึ่งวัสดุนี้มีความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าวัสดุ LiFePO4 (LFP) ที่เป็นวัสดุขั้วบวกที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ถึง 30% ด้วยเทคนิคซินโครตรอนอินซิทูรังสีเอกซ์ ประกอบด้วย เทคนิคอินซิทูการกระเจิงรังสีเอ็กซ์เป็นมุมกว้าง (In-situ wide angle x-ray scattering; In-situ WAXS) และเทคนิคการการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (In-situ X-ray absorption spectroscopy; In-situ XAS) ผลของอินซิทู WAXS ภายใต้การคายประจุ พบว่า ที่อัตรากระแสต่ำ (C/4; มีการคายประจุจนหมด 4 ชั่วโมง) การเปลี่ยนแปลงของเฟสเกิดขึ้นด้วยปฏิกิริยาแบบสองเฟส (Two-phase reaction) ในทางตรงกันข้ามที่อัตรากระแสสูง (5C; มีการคายประจุจนหมด 12 นาที) มีการเกิดเฟสกึ่งกลางเกิดขึ้น (Intermediate phase) โดยมีการเกิดกลไกสารละลายของแข็ง (Solid solution mechanism) เป็นหลักในบริเวณนี้ ขณะเดียวกันวัสดุ LMFP ได้มีการเปลี่ยนแปลงของเลขออกซิเดชันของคู่รีดอกซ์ Fe2+/Fe3+ และ Mn2+/Mn3+ ควบคู่ด้วย ซึ่งถูกศึกษาด้วยเทคนิคอินซิทู XAS ความเข้าใจใหม่นี้จะเป็นประโยชน์สำหรับการพัฒนาต่อไปของวัสดุแคโทดชนิดใหม่สำหรับ LIBs เชิงพาณิชย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการนำไปใช้ในงานที่ต้องการพลังงานสูง เช่น รถยนต์ไฟฟ้า เป็นต้น
