แบตเตอรี่ลิเทียมเป็นที่นิยมใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือ กล้องดิจิทัล รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งไม่ว่าจะใช้งานรูปแบบใด เราต้องการแบตเตอรี่ที่มีน้ำหนักเบา พกพาสะดวก มีความจุไฟฟ้ามาก และใช้เวลาชาร์จไม่นาน แต่ใช้งานได้ยาวนาน ความต้องการเหล่านี้คือโจทย์ให้นักวิจัยพัฒนาแบตเตอรี่ โดยต้องวิเคราะห์ลงลึกไปถึงสมบัติของวัสดุที่นำมาผลิตเป็นแบตเตอรี่ เพื่อให้ได้แบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพดังกล่าว

ดร.ทรงยุทธ แก้วมาลา นักวิจัยของสถาบันวิจัยและนวัตกรรมวัสดุนาโนเพื่อพลังงาน มหาวิทยาลัยขอนแก่น ได้ศึกษาสมบัติของวัสดุสำหรับผลิตขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเทียมรุ่นใหม่ ภายใต้การให้คำปรึกษาของ รศ.ดร.นงลักษณ์ มีทอง ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยขอนแก่น เพื่อให้ได้แบตเตอรี่ที่มีความจุไฟฟ้ามากขึ้น ชาร์จได้กระแสมากขึ้น โดยใช้เวลาชาร์จน้อยลงและมีน้ำหนักเบาลง

 

งานวิจัยนี้ สนใจพัฒนาวัสดุคอมโพสิตเลเยอร์ออกไซด์ “ลิเทียมแมงกานีสออกไซด์ลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์” เนื่องจากมีความจุไฟฟ้าจำเพาะสูงกว่าวัสดุลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์ที่ใช้งานในปัจจุบันเกือบ 2 เท่า ซึ่งนักวิจัยพบว่าขนาดโดเมนของลิเทียมแมงกานีสออกไซด์มีผลโดยตรงต่อความเสถียรทางโครงสร้างและความสามารถในการเคลื่อนที่ของลิเทียมไอออน ระหว่างเกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี โดยขนาดโดเมนของลิเทียมแมงกานีสออกไซด์ซึ่งผลิตด้วยวิธีบดเชิงกล (2309 ตารางนาโนเมตร) จะมีขนาดใหญ่กว่าการสังเคราะห์ผ่านกระบวนการทางเคมี (266 ตารางนาโนเมตร)

 

นอกจากนี้ เมื่อใช้เทคนิคการดูดกลืนรังสีเอกซ์ (XAS) ที่ระบบลำเลียงแสง 2.2 ของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) วิเคราะห์โครงสร้างอะตอม ใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนโดยใช้รังสีเอกซ์ (XRD) วิเคราะห์โครงสร้างผลึก และใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนความละเอียดสูงแบบส่องผ่าน (HRTEM) วิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของวัสดุ นักวิจัยยังพบว่าวัสดุคอมโพสิตเลเยอร์ออกไซด์ที่มีขนาดโดเมนของลิเทียมแมงกานีสออกไซด์ใหญ่กว่า สามารถช่วยลดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของวัสดุในขณะที่เกิดปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมีได้ และส่งผลการเคลื่อนที่ของลิเทียมไอออนคล่องตัวมากกว่า และมีเสถียรของรอบการใช้งานสูงกว่าวัสดุที่มีขนาดโดเมนของเฟสที่มีขนาดเล็ก หรืออธิบายได้ว่า โดเมนของเฟสขนาดใหญ่ช่วยพยุงโครงสร้างให้มีเสถียรภาพสูงตลอดการใช้งาน

 

งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นว่าการออกแบบโครงสร้างของวัสดุคอมโพสิตเลเยอร์ออกไซด์ลิเทียมแมงกานีสออกไซด์ลิเทียมโคบอลต์ออกไซด์ให้มีขนาดโดเมนของเฟสลิเทียมแมงกานีสออกไซด์ที่เหมาะสม จะทำให้ได้ขั้วไฟฟ้าสำหรับแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่มีความจุไฟฟ้าสูง และมีอายุการใช้งานที่ยาวนาน และยังชี้ให้เห็นว่าการศึกษาโครงสร้างของวัสดุโดยการใช้เทคนิค XAS เทคนิค XRD และ HRTEM ร่วมกัน จะทำให้ได้ข้อมูลเชิงลึกและมีประโยชน์อย่างมากในการศึกษาและพัฒนาวัสดุต่างๆ

 

ภาพที่ 1 ภาพ TEM ของวัสดุ 0.5Li₂MnO₃∙0.5LiCoO₂ ที่มีขนาดโดเมน Li₂MnO₃ ใหญ่ (a และ b) และเล็ก (c และ d)

 

ภาพที่ 2 การแปลงฟูริเยการแปลงฟูเรียร์ของสัญญาณ EXAFS สำหรับ Mn core (a) และ Co core (b) 

 

 

 

ภาพที่ 3 สัมประสิทธิ์การแพร่ของลิเทียมไอออนในวัสดุ 0.5Li₂MnO₃∙0.5LiCoO₂ ที่มีขนาดโดเมนของเฟส Li₂MnO₃ ใหญ่   (L-LMO) และเล็ก (S-LMO)

 

 

บทความโดย

ดร.ทรงยุทธ แก้วมาลา นักวิจัยสถาบันและนวัตกรรมวัสดุนาโนเพื่อพลังงาน มหาวิทยาลัยขอนแก่น

แหล่งที่มา : Scientific Reports volume 9, Article number: 427 (2019)