บทความโดย รศ.ดร.นงลักษณ์ มีทอง และคณะ
.
ในปัจจุบันแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนกำลังเผชิญกับปัญหาการลดลงของแร่ลิเทียมซึ่งส่งผลให้ราคาของแบตเตอรี่ชนิดนี้มีแนวโน้มเพิ่มสูงขึ้นในอนาคต อีกทั้งยังมีส่วนประกอบของวัสดุที่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ปัญหาดังกล่าวถือเป็นปัญหาสำคัญต่อการพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนเป็นอย่างมาก งานวิจัยทางด้านวัสดุกักเก็บพลังงานจึงมุ่งเน้นที่จะค้นหาและพัฒนาวัสดุทางเลือกเพื่อทดแทนการใช้แร่ลิเทียม โดยวัสดุที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมากชนิดหนึ่ง คือ อะลูมิเนียม ซึ่งมีสมบัติที่น่าสนใจในการนำมาประยุกต์ใช้เป็นแบตเตอรี่ทางเลือกเป็นอย่างมาก เนื่องจากอะลูมิเนียมมีปริมาณมากเป็นอันดับ 3 บนพื้นโลก ซึ่งมีมากกว่าลิเทียมประมาณ 4500 เท่า นอกจากนี้ อะลูมิเนียมยังมีค่าความจุไฟฟ้าทางทฤษฎีสูง และไม่ติดไฟ สมบัติเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ที่ทำจากอะลูมิเนียมมีวัสดุขั้วแอโนดที่ราคาถูก ปลอดภัย และประสิทธิภาพสูง แต่อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่ชนิดอะลูมิเนียมไอออนนี้มีความท้าทายในการศึกษาและพัฒนาขั้วแคโทดเพื่อช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานของแบตเตอรี่ โดยมุ่งเน้นศึกษาวัสดุที่มีความเหมาะสมสำหรับการกักเก็บคลอโรอะลูมิเนตอิเล็กโตรไลต์ไอออน (AlCl4-) ที่มีขนาดใหญ่ เพื่อทดแทนวัสดุกราไฟต์ที่มีความจุไฟฟ้าต่ำ และมีกลไกการกักเก็บพลังงานแบบการแทรกตัวของไอออนเข้าไปในโครงสร้างของวัสดุแคโทด หรือ “intercalation mechanism” ซึ่งส่งผลเสียต่อเสถียรภาพของแบตเตอรี่เมื่อใช้งานเป็นเวลานาน
.
งานวิจัยนี้ได้สังเคราะห์วัสดุคาร์บอนกัมมันต์ที่มีรูพรุนและพื้นที่ผิวสูงจากถ่านกะลามะพร้าวสำหรับใช้เป็นขั้วแคโทดในแบตเตอรี่ชนิดอะลูมิเนียมไอออน ขั้วแคโทดจากวัสดุคาร์บอนกัมมันต์ที่สังเคราะห์ได้ให้ค่าความจุไฟฟ้าสูงถึง 150 mAh/g ที่ความหนาแน่นกระแส 0.1 A/g และสามารถใช้งานนานถึง 1500 รอบโดยที่ความจุไฟฟ้าลดลงเพียง 10% ทั้งนี้เนื่องมาจากขั้วแคโทดดังกล่าวมีพื้นที่ผิวสูง มีรูพรุนขนาดใหญ่ชนิดเมโซ (mesoporosity) และมีความบกพร่องเชิงโครงสร้างสูง (high defect concentration) ส่งผลให้วัสดุมีพื้นที่เพียงพอในการกักเก็บไอออน AlCl4- ที่มีขนาดใหญ่ มีช่องว่างที่สามารถให้ไอออนดังกล่าวเคลื่อนที่ได้สะดวกภายในโครงสร้างของวัสดุ และมีการถ่ายโอนประจุระหว่างไอออนกับพื้นผิวของวัสดุที่มีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ทีมวิจัยได้พบว่าวัสดุคาร์บอนกัมมันต์นี้มีกลไกการกักเก็บพลังงานแบบการดูดซับของไอออนบนพื้นผิวของวัสดุ หรือ “surface adsorption mechanism” ซึ่งคล้ายกับตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบ EDLC ส่งผลให้แบตเตอรี่ที่มีขั้วแคโทดจากวัสดุคาร์บอนกัมมันต์มีอัตราการอัดและคายประจุที่เร็ว และมีรอบการใช้งานที่ยาวนาน เหมาะสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความหนาแน่นกำลังและพลังงานสูง และเสถียรภาพที่ดี งานวิจัยนี้ไม่เพียงแค่เสนอองค์ความรู้ใหม่ซึ่งเป็นแนวทางในการพัฒนาวัสดุกักเก็บพลังงานให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น แต่ยังเป็นการเพิ่มมูลค่าให้กับวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรอย่างกะลามะพร้าวที่มีมากในประเทศไทยอีกด้วย
.
อ่านบทความวิจัยฉบับเต็มได้ที่
Mesoporous and Defective Activated Carbon Cathode for AlCl4- Anion Storage in Non-aqueous Aluminium-ion Batteries. Carbon.
.
