แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในท้องตลาดปัจจุบันยังคงมีจุดอ่อนหลายประการ อาทิ ความจุทางไฟฟ้าต่ำ ปัญหาด้านความปลอดภัย เวลาในการชาร์จแบตเตอรี่ต่อครั้งที่นาน ซึ่งไม่เหมาะกับยุคสมัยที่ต้องการความคล่องตัวในการใช้งานและดำเนินชีวิต ดังนั้นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสมัยใหม่ จะเป็นขุมพลังที่ช่วยผลักดันให้ก้าวข้ามข้อจำกัดและตอบโจทย์การใช้งานเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานในอุปกรณ์และเครื่องมือต่างๆ ในอนาคตได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งยานยนต์ไฟฟ้า (EV)
ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมีการศึกษาทางวิชาการอย่างเข้มข้นและต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนของขั้วไฟฟ้าที่เป็นตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ จากการศึกษาวิจัยพบว่ากลุ่มวัสดุคอมพอสิตฐานไทเทเนียมไดออกไซด์เฟสบรอนซ์ (TiO2(B) based composite materials) มีสัญฐานโครงสร้างที่มีความน่าสนใจเหมาะที่จะนำไปใช้เป็นวัสดุแอโนด เนื่องด้วยไอออนของลิเทียมสามารถเกิดการแพร่เข้าและออกจากช่องว่างภายในโครงสร้างได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ เป็นการส่งเสริมการอัดและคายประจุของแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว อีกทั้งการทำปฏิกิริยากับลิเทียมที่ศักย์ไฟฟ้าที่สูง จะลดความเสี่ยงของการเกิดลุกไหม้และระเบิดของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้อีกด้วย
ทีมวิจัย Advanced Battery Research Unit จากห้องปฏิบัติการ Renewable Energy Laboratory นำโดย รศ.ดร.ฐปนีย์ สารครศรี, อ.ดร.โยธิน ฉิมอุปละ และ ดร.ธนภัทร อัฐวงค์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้ร่วมมือกับ Prof. Dr. Aishui Yu มหาวิทยาลัยฟู่ตั้น สาธารณรัฐประชาชนจีน ด้านการศึกษาและทดสอบประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่ และ Prof. Dr. Hiroki Kurata มหาวิทยาลัยเกียวโต ประเทศญี่ปุ่น ด้านการศึกษาสมบัติทางสัญฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลกตรอนขั้นสูง
ทีมวิจัยได้สังเคราะห์และพัฒนาวัสดุนาโนคอมพอสิตแอโนดฐานไทเทเนียมไดออกไซด์เฟสบรอนซ์รองรับเทคโนโลยีชาร์จเร็วยิ่งยวดและรอบการใช้งานที่ยาวนานในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน โดยวัสดุคอมพอสิตแอโนดที่พัฒนาได้เป็นการผสมผสานระหว่างกลุ่มวัสดุที่มีคุณสมบัติการชาร์จเร็ว มีความเสถียรสูงและวัสดุกลุ่มที่ให้ค่าความจุไฟฟ้าสูงสกัดจากของเหลือทิ้งทางการเกษตรเข้าด้วยกัน โดยใช้กรรมวิธีทางเคมีที่ไม่ยุ่งยากและต้นทุนต่ำ เป็นการรวมจุดแข็งด้านการกักเก็บพลังงานสูงและอายุการใช้งานยาวนานผนึกกับคุณสมบัติการชาร์จไฟได้รวดเร็วและปลอดภัย
ผลลัพธ์ของงานวิจัยที่ได้พบว่า วัสดุคอมพอสิตแอโนดที่พัฒนาได้มีคุณสมบัติที่โดดเด่นมาก มีค่าความจุทางไฟฟ้าสูงสุดถึง 500 mAh/g ที่อัตราการอัดประจุ 1C ซึ่งสูงกว่าวัสดุแอโนดทางการค่าในปัจจุบัน อีกทั้งสามารถรองรับเทคโนโลยีการชาร์จเร็วอย่างยิ่งยวด (Ultrafast-charging) ที่อัตราการอัดประจุสูงถึง 50C ซึ่งใช้เวลาในการชาร์จแบตเตอรี่เพียง 5 นาทีเท่านั้น ทั้งนี้ วัสดุดังกล่าวได้ผ่านการทดสอบรอบการใช้งานสูงถึง 7000 รอบ และมีแนวโน้มที่จะสามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเมื่อคิดคำนวนเป็นอายุการใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้าจะสามารถใช้งานได้ยาวนานมากกว่า 10 ปี
ทีมวิจัยฯ ได้รายงานการศึกษาดังกล่าวในวารสารวิชาการ RSC Advances ที่มี Impact Factor 3.361 (Q1) และ ACS Omega ที่มี Impact Factor 3.512 (Q2)
โดยจากผลสัมฤทธิ์จากงานวิจัยดังกล่าวจึงเป็นอีกหนึ่งก้าวสำคัญอย่างมากในการต่อยอดเพื่อพัฒนาอุตสาหกรรมแหล่งกักเก็บพลังงานไฟฟ้า อีกทั้งเทคโนโลยีและนวัตกรรมด้านวัสดุชาร์จเร็วยิ่งยวดและมีรอบการใช้งานที่ยาวนานสำหรับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสามารถยกระดับขีดความสามารถในการแข่งขั้นในระดับประเทศและส่งเสริมอุตสาหกรรมตามยุทธศาสตร์ของประเทศไทย โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุตสาหกรรมยานยนต์สมัยใหม่ ซึ่งมีความจำเป็นที่จะต้องพึ่งพาแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่มีประสิทธิภาพสูง เพื่อก้าวข้ามอุปสรรคใหญ่และสร้างความเป็นไปได้ที่จะทำให้เกิดการใช้งานรถยนต์ไฟฟ้าอย่างแพร่หลายทั่วโลกในอนาคตอันใกล้
เอกสารอ้างอิง 1,2
(1) Autthawong, T.; Chimupala, Y.; Haruta, M.; Kurata, H.; Kiyomura, T.; Yu, A.; Chairuangsri, T.; Sarakonsri, T. Ultrafast-Charging and Long Cycle-Life Anode Materials of TiO2-Bronze/Nitrogen-Doped Graphene Nanocomposites for High-Performance Lithium-Ion Batteries. RSC Adv. 2020, 10 (71), 43811–43824. https://doi.org/10.1039/D0RA07733J.
(2) Autthawong, T.; Yodbunork, C.; Yodying, W.; Boonprachai, R.; Namsar, O.; Yu, A.; Chimupala, Y.; Sarakonsri, T. Fast-Charging Anode Materials and Novel Nanocomposite Design of Rice Husk-Derived SiO2 and Sn Nanoparticles Self-Assembled on TiO2(B) Nanorods for Lithium-Ion Storage Applications. ACS Omega 2022, 7 (1), 1357–1367. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05982.