นักวิจัยพัฒนาวัสดุแบตเตอร์รี่ที่มีความจุสูงสุดบนรถยนต์ไฟฟ้าสำหรับขับระยะทางไกล

          เนื่องด้วยยุคปัจจุบัน แนวโน้มเรื่องพลังงานและสิ่งแวดล้อมที่เป็นมิตรต่อโลกกำลังกลับมาเป็นที่น่าสนใจอีกครั้ง ไม่ว่าจะเป็น พลังงานลมจากกังหันลม พลังงานน้ำ พลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อลดการใช้ถ่านหินเพื่อนำมาผลิตกระแสไฟฟ้า และที่ตามข่าวล่าสุดเมื่อเดือน มกราคม ประเทศไทยได้ประบสบปัญหาฝุ่น ควัน มลพิษเกิดขึ้น เกือบทุกจังหวัด หรือที่เราเรียกกันว่า ฝุ่น(PM 2.5) ว่ามาจากไหน ซึ่งเจ้าฝุ่นPM2.5นี้มาจากรถยนต์ที่มีเครื่องยนต์เก่ามากๆ ยกตัวอย่างเช่น รถเมลล์บ้านเราที่นั่งกันอยู่ทุกวันนี้ ใช้เครื่องยนต์ที่ใช้น้ำมันในมาตรฐานยูโร2อยู่ซึ่งเป็นมาตรฐานในการวัดน้ำมันเชื้อเพลิงในการปล่อยของเสียออกสู่ภายนอกนับตั้งแต่ ยูโร1 จนถึง ยูโร6 ซึ่งเมื่อเซลล์เชื้อพลิงนั้นไปสู่ห้องเครื่องแล้ว เกิดการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์แล้วปล่อยออกมาตามท่อไอเสีย ซึ่งเมื่ออุณหภูมิในห้องเครื่องยนต์นั้นสูงขึ้น จะมีการปล่อยก๊าซชนิดหนึ่งที่เรียกว่า ออกไซด์ของไนโตรเจน หรือ Nox พร้อมกับ อนุภาคเล็กๆ หรือ Particulate matter(PM) ออกสู่บรรยากาศ ซึ่งเมื่อมนุษย์ หรือ สัตว์ได้สูดดมPMเข้าไปนานเข้าอาจจะทำให้เกิดโรคในอนาคตได้ เพราะ PM มีอนุภาคขนาดเล็กมากถึง ไมครอนสามารถไปฝังอยู่ในขั้วปอดทำให้เกิดโรคทางเดินหายใจ ดังนั้นทั่วโลกเลยหันมารณรงค์ หรือ คิดค้นและวิจัยพลังงานทางเลือกที่เหมาะกับรถยนต์ไม่ว่าจะเป็น รถยนต์พลังงานแสงอาทิตย์ รถไฮบริด แม้กระทั่ง
รถยนต์ไฟฟ้าที่กำลังเป็นที่จับตามอง และ อาจจะเป็นรถยนต์จากพลังงานทางเลือกอีกชนิดนึง ที่คนจะนิยมมาใช้ในอนาคต เพราะ แทนที่จะใช้เชื้อเพลิงจากพลังงานความร้อน ไปสู่พลังงานกลให้รถยนต์นั้นขับเคลื่อนไปได้ เปลี่ยนมาใช้ไฟฟ้าที่ผลิตจากแบตเตอร์รี่แทนการนำเชื้อเพลิง            เมื่อไม่นานมานี้รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอร์รี่ในการปล่อยกระแสไฟฟ้าให้รถยนต์นั้นขับเคลื่อนไปได้ ได้มีการคิดค้นวัสดุขั้ว ที่ดั้งเดิมจากการใช้ ลิเที่ยมไอออน มาใช้วัสดุในรูปแบบต่างๆ รวมถึงงานวิจัยชของ Dr. Hun-Gi Jung จาก the Center for Energy Storage Research ของ Korea Institute of Science and Technology (KIST, President Lee Byung Gwon) ได้ทำการวิจัยและพัฒนาขั้วที่ทำมาจากวัสดุซิลิกอนบนขั้วบวกที่สามารถช่วยให้ความจุของแบตเตอร์รี่เพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุที่ทำมาจากแกร์ไฟต์ที่สามารถชาร์ตได้เร็วขึ้นถึง80เปอร์เซ็นต์ภายใน5นาที เมื่อไหร่ที่ประยุกต์วัสดุใหม่แบตเตอร์รี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าจะช่วยให้การขับเคลื่อนสามารถไปได้ระยะไกลมากขึ้น แบตเตอร์รี่ที่ถูกบรรจุในรถยนต์ไฟฟ้าจะเป็นการใช้แกร์ไฟร์ทมาทำเป็นขั้วบวก แต่จะมีการขับเคลื่อนที่มีระยะทางที่สั้นมากๆซึ่งน้อยกว่ารถยนต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงอีก ดังนั้นแล้ว ซิลิกอนจะมีความสามารถที่เก็บพลังงานบรรจุได้ถึง10ครั้งต่อวันซึ่งเป็นจำนวนมากกว่าแกรไฟร์ทซึ่งเจ้าตัวซิลิกอนนี้ จะเป็นวัสดุสามารถนำมาทำเป็นขั้วต่อได้ในอนาคตสำหรับให้รถยนต์นั้นขับเคลื่อนไปได้ในระยะทางที่ไกลเพิ่มมากขึ้น อย่างไรก็ตามวัสดุซิลิกอนนี้จะยังไม่สามารถทำเป็นในรูปแบบเชิงพาณิชย์ได้ เพราะว่า เมื่อไหร่ที่วัสดุซิลิกอนได้ถูกนำมาใช้งานแล้วในยานยนต์ไฟฟ้าเป็นระยะเวลานานๆจะทำให้ปริมาตรที่บรรจุนั้นเกิดการขยายตัว และ การเก็บประจุระหว่างชาร์ต กับ คายประจุนั้น ทำได้น้อยลง ซึ่งสิ่งเหล่านี้เป็นข้อจำกัดทางเชิพาณิชย์ถ้านำวัสดุซิลิกอนมาใช้ทำเป็นขั้วเซลล์ไฟฟ้าเคมีสำหรับทำแบตเตอร์รี่ ซึ่งหลักการเหล่านี้ที่ได้แนะนำไปเป็นหลักการทำให้ซิลิกอนที่นำมาทำเป็นขั้วนั้นเกิดการสมดุลและเกิดการนำมาใช้งานในขั้วเซลล์แบตเตอร์รี่ได้ง่ายและสะดวกขึ้นในอนาคต เพราะว่า เนื่องด้วยราคาของซิลิกอนแล้วมีการยืดหยุ่น หรือ ถูกกว่าที่จะส่งผลให้ซิลิกอนนั้น นำมาทำเป็นขั้วเซลล์ไฟฟ้าเคมีแทนที่แกรไฟรท์


          ประโยชน์ของการปรับปรุงและพัฒนานำวัสดุซิลิกอนที่ใช้ในขั้วไฟฟ้าเพื่อทำแบตเตอร์รี่นั้นให้สมดุล Dr.Jung และ คณะ ได้มุ่งเป้าวัสดุที่มีอยู่แล้วในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็น น้ำ น้ำมัน และ แป้ง โดยที่นำแป้ง และ ซิลิกอนมาทำการละลายในน้ำและน้ำมัน โดยทำการผสมและให้ความร้อนเข้าไปที่สารซึ่งจะทำให้เกิดการรวมกันเป็นวัสดุที่ประกอบไปด้วยคาร์บอน และ ซิลิกอนในวัสดุเดียวกัน โดยใช้หลักการง่ายๆอย่าง กระบวนการทางความร้อนคล้ายกับการผัดอาหารซึ่งจะทำให้เกิดโครงสร้างคาร์บอนและซิลิกอนเกิดขึ้นภายในวัสดุเนื้อเดียวกัน สำหรับป้องกันขั้วซิลิกอนจากการขยายตัวเมื่อเกิดการชาร์จและคล้ายประจุในแต่ละรอบของการชาร์จประจุของแบตเตอร์รี่ไฟฟ้า วัสดุคอมโพสิตซึ่งได้ถูกพัฒนาโดยทีมนักวิจัยสามารถปรับปรุงและพัฒนาให้มีความจุอยู่ที่4ครั้งมากกว่าขั้วที่ทำมาจากแกรไฟร์ต มีค่าอยู่ระหว่าง 360mAh/g-1530mAh/g และมีความมั่นคงในการจุพลังงานอยู่ที่500รอบ ซึ่งจะทำให้วัสดุนี้ที่ถูกค้นพบจะมีการชาร์ตประจุพลังงานที่รวดเร็วมากกว่า80%ในระยะเวลาเพียงแค่5นาที ซึ่งเมื่อนำคาร์บอนที่มีลักษณะทรงกลมนั้นจะมีคุณสมบัติช่วยปกป้องการขยายตัวทางปริมาตรของซิลิกอน ดังนั้นการปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุซิลิกอนให้มีความเสถียรนั้น ยังช่วยให้มีการนำไฟฟ้าได้สูงสุด สืบเนื่องมาจากคาร์บอรและมีการจัดเรียงตัวทางโครงสร้างวัสดุซิลิกอนแบบใหม่ ที่มีการจับคู่ระหว่างคาร์บอน และ ซิลิกอนทำให้เกิดการปล่อยกระแสไฟฟ้าออกมาในปริมาณที่มากยิ่งขึ้น


          ในการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตระหว่างคาร์บอน และ ซิลิกอนให้เหมือนกับวัสดุทั่วไปในชีวิตประจำวันเพียงง่ายๆแค่ผสมและกระบวนการทางความร้อนธรรมดา Dr.Jung กล่าว เขาและทีมวิจัยจะดำเนินการศึกษาต่อไปโดยการนำหลักการและวิธีการง่ายๆนี้ซึ่งจะส่งทำให้เกิดการพัฒนาวัสดุและส่งผลให้เกิดทางการค้าเชิงพาณิชย์ได้มากยิ่งขึ้น วัสดุคอมโพสิตนี้จะได้รับการปรับปรุงและประยุกต์เข้าใช้งานกับ แบตเตอร์รี่ชนิดลิเที่ยม-ไออนสำหรับใช้ในงานยานยนต์ไฟฟ้าได้ และ ระบบการกักเก็บพลังงานได้อีกด้วย

ที่มา

• https://www.ni.com/en-th/innovations/white-papers/11/subsystems-required-to-control-low-temperature-combustion-engine.html
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b04395
• https://phys.org/news/2020-02-high-capacity-ev-battery-materials-range.html