พลังงานเป็นปัจจัยนึงที่สำคัญในการดำรงชีวิต ในการนำพลังงานมาใช้จำเป็นต้องหากระบวนการหรือวัสดุรูปแบบใหม่ๆ มาใช้ในการกักเก็บพลังงาน ไม่ว่าจะเป็นพลังงานที่ได้จากธรรมชาติ หรือพลังงานที่มนุษย์สร้างขึ้น

เช่นเดียวกับ ผศ.ดร.สุกัญญา นิลม่วง จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน (มทร.) ศ.ดร.สันติ แม้นศิริ จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี และ ดร.วันวิสา ลิ้มพิรัตน์ จากสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน ซึ่งร่วมกันพัฒนาวัสดุสำหรับกักเก็บพลังงาน โดยสังเคราะห์และศึกษาสมบัติทางไฟฟ้าเคมีของเส้นใยนาโนคาร์บอน ผสมกับลิเทียมเหล็กซิลิเกต เพื่อนำไปประยุกต์ใช้เป็นวัสดุขั้วของตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่มีเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิคาร์บอไนเซชัน คือ 700 และ 800 องศาเซลเซียส

ทีมวิจัยได้ใช้แสงซินโครตรอนวิเคราะห์ด้วยเทคนิคการดูกลืนรังสีเอกซ์แบบร่นเวลา (in-situ TRXAS) เพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันของวัสดุขั้วในระหว่างกระบวนการเก็บและคายประจุ พบว่าวัสดุผสมของเส้นใยนาโนคาร์บอนกัมมันต์ผสมกับลิเทียมเหล็กซิลิเกตที่อุณหภูมิคาร์บอนไนเซชัน 800 องศาเซลเซียส ให้ค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะสูงที่สุด เมื่อเทียบกับวัสดุผสมที่อุณหภูมิคาร์บอนไนเซชัน 700 องศาเซลเซียส และยังให้ค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะสูงกว่าเส้นใยนาโนคาร์บอนกัมมันต์บริสุทธิ์ และลิเทียมเหล็กซิลิเกตบริสุทธิ์

วัสดุนาโนผสมดังกล่าวยังมีความเสถียรสูงมาก โดยค่าความจุมีค่า 85% ของค่าเริ่มต้นหลังจากการเก็บและคายประจุผ่านไปแล้ว 1000 รอบ ซึ่งเมื่อนำไปผลิตเป็นแบตเตอรี่จะช่วยชะลอการเสื่อมของแบตเตอรี่ได้ นอกจากนี้จากการใช้แสงซินโครตรอนวิเคราะห์เหล็กในโครงสร้างวัสดุดังกล่าวโดยใช้เทคนิคการดูกลืนรังสีเอกซ์แบบติดตามเวลา พบว่าวัสดุมีการให้อิเล็กตรอนและรับอิเล็กตรอนได้ดี โดยมีการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันระหว่าง +2 และ +3 ระหว่างกระบวนการเก็บและคายประจุ

 

ทีมวิจัยยังใช้เทคนิคอื่นๆ วิเคราะห์สมบัติของวัสดุผสมนี้ควบคู่ไปกับการวิเคราะห์ด้วยแสงซินโครตรอน ผลการวิเคราะห์ที่ระบุข้างต้น แสดงให้เห็นว่าวัสดุผสมของเส้นใยนาโนคาร์บอนกัมมันต์ผสมกับลิเทียมเหล็กซิลิเกตนี้ มีสมบัติทางไฟฟ้าเคมีที่น่าสนใจ และมีศักยภาพที่จะประยุกต์ใช้เป็นวัสดุขั้วของตัวเก็บประจุยิ่งยวด นำไปสู่การพัฒนาวัสดุกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงตามความต้องการของผู้ใช้งานได้

 

 

 

(รูป a) เส้นใยนาโนคาร์บอนกัมมันต์ ผสมกับลิเทียมเหล็กซิลิเกต (ACNF/Li2FeSiO4) ที่อุณหภูมิคาร์บอนไนเซชัน 800 °C องศาเซลเซียส ให้ค่าความจุจำเพาะสูง ถึง 158 Fg−1 ที่ 2 mVs−1 และ 201 Fg−1 ที่ 0.25 Ag−1 โดยให้ค่าความหนาแน่นพลังงาน (energy density) 17.8 Whkg−1 และ ความหนาแน่นกำลัง (specific power) of 99.7 Wkg−1

(รูป b) นอกจากนั้นวัสดุดังกล่าวยังมีความเสถียรสูงมากโดยค่าความจุมีค่า 85% ของค่าเริ่มต้นหลังจากการเก็บและคายประจุผ่านไปแล้ว 1000 รอบ

(รูป c) นอกจากนี้เหล็กในโครงสร้างมีการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันระหว่าง +2 และ +3 ระหว่างกระบวนการเก็บและคายประจุ

(รูป d) สมบัติทางเคมีไฟฟ้าที่น่าสนใจของวัสดุผสมของเส้นใยนาโนคาร์บอนกัมมันต์ ผสมกับลิเทียมเหล็กซิลิเกต (ACNF/Li2FeSiO4) แสดงถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้เป็นวัสดุขั้วของตัวเก็บประจุยิ่งยวด

 

 

อ่านรายละเอียดของงานวิจัยนี้เพิ่มเติมได้ที่ 

เอกสารอ้างอิง

Nilmoung, S., Limphirat, W. and Maensiri, S, “Electrochemical Properties of ACNF/Li2FeSiO4 Composite Nanostructures for Supercapacitors”, Journal of Alloys and Compounds 907 (Jun 2022): 164466.

 

บทความโดย
ผศ.ดร.สุกัญญา นิลม่วง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน (มทร.)
ศ.ดร.สันติ แม้นศิริ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี
ดร.วันวิสา ลิ้มพิรัตน์ สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน

เรียบเรียงโดย ส่วนสื่อสารองค์กร