ดร.จินตหรา ปัดชาสี และคณะ
วัสดุแก้วและแก้วเซรามิกมีศักยภาพสำหรับการประยุกต์ใช้เป็นวัสดุขั้วไฟฟ้าแบตเตอรี่ เนื่องจากสามารถปรับแต่งองค์ประกอบทางเคมีได้หลากหลายและเอื้อต่อการเคลื่อนที่ของไอออน อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดสำคัญคือการนำไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ที่ต่ำ งานวิจัยนี้จึงพัฒนาแก้วเซรามิกลิเทียมบอเรต-ซัลเฟตที่เติมนิกเกิล (LBN) และศึกษาบทบาทของคาร์บอนแบล็กในการสร้างโครงข่ายนำไฟฟ้าภายในขั้วไฟฟ้า ผลการวิเคราะห์โครงสร้างพบว่าวัสดุประกอบด้วยเฟสอสัณฐานร่วมกับผลึกระดับนาโนของ LiB(SO4)2 และ NiO ขณะที่เทคนิค XANES ยืนยันว่านิกเกิลอยู่ในสถานะ Ni2+ เป็นหลักร่วมกับ Ni3+ ปริมาณเล็กน้อย และซัลเฟอร์ยังคงอยู่ในรูปซัลเฟตที่มีเสถียรภาพ
การเพิ่มคาร์บอนแบล็กช่วยสร้างโครงข่ายนำอิเล็กตรอนที่ต่อเนื่อง (electronic percolation network) ลดความต้านทานการถ่ายโอนประจุ และช่วยรักษาเสถียรภาพของขั้วไฟฟ้าระหว่างการใช้งาน โดยองค์ประกอบที่มีคาร์บอนประมาณ 30 wt% ให้สมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างการนำไฟฟ้าและปริมาณวัสดุแอคทีฟ สามารถให้ความจุคายประจุประมาณ 70-75 mAh.g-1 และรักษาความจุได้มากกว่า 95% หลัง 50 รอบ ผลการศึกษาชี้ให้เห็นว่า การทำให้แก้วเซรามิกสามารถทำงานเป็นขั้วไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพไม่ได้ขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้าภายในโครงสร้างแก้วเพียงอย่างเดียว แต่เกิดจากการออกแบบโครงข่ายนำไฟฟ้าคาร์บอนที่เหมาะสม แนวคิดนี้เป็นแนวทางสำคัญในการพัฒนาวัสดุแก้วและแก้วเซรามิกสำหรับระบบกักเก็บพลังงานและแบตเตอรี่รุ่นใหม่ในอนาคต
รูปที่ 1 แนวคิดการสร้างโครงข่ายนำไฟฟ้าคาร์บอนในขั้วไฟฟ้า LBN เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและเสถียรภาพของแบตเตอรี่
รูปที่ 2 สมรรถนะทางเคมีไฟฟ้าของขั้วแก้วเซรามิก LBN ที่มีปริมาณคาร์บอนแตกต่างกัน โดยการเพิ่มปริมาณคาร์บอนช่วยเพิ่มการเชื่อมต่อของโครงข่ายนำไฟฟ้าและเพิ่มความจุของขั้วไฟฟ้า ขณะที่องค์ประกอบที่มีคาร์บอนประมาณ 30 wt% ให้สมดุลที่เหมาะสมระหว่างความจุ เสถียรภาพในการชาร์จ-คายประจุ และการใช้ประโยชน์จากวัสดุแอคทีฟ