ห้องปฏิบัติการนวัตกรรมกราฟีนสำหรับงานด้านพลังงาน

Graphene Energy Laboratory (GEL)

“เทคโนโลยีแบตเตอรี่ปลอดภัยไร้ลิเธียม”

       ห้องปฏิบัติการนวัตกรรมกราฟีนสำหรับงานด้านพลังงาน ฝ่ายวิจัยกราฟีนและนวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ ดำเนินงานวิจัยด้านการพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน (Energy storage devices) มาอย่างต่อเนื่อง โดยที่ผ่านมากลุ่มวิจัยได้พัฒนางานวิจัยที่สำคัญอย่าง ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) และแบตเตอรี่ลิเทียมซัลเฟอร์ (lithium-sulfur battery) ซึ่งกลุ่มวิจัยได้ประยุกต์ใช้เทคโนโลยีด้านวัสดุกราฟีน (graphene) ร่วมกับเทคโนโลยีการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ (printed electronics) ที่ทางกลุ่มมีความเชี่ยวชาญในการพัฒนาดังกล่าว ปัจจุบันกลุ่มวิจัยได้พัฒนางานวิจัยแบตเตอรี่ชนิดใหม่ที่มีความปลอดภัยสูงอย่างแบตเตอรี่สังกะสีไอออน (Zinc ion battery) ซึ่งกำลังได้รับความสนใจจากนักวิจัยค่อนข้างมาก และน่าจะเป็นแบตเตอรี่ชนิดที่มีแนวโน้มในการนำไปใช้งานได้จริงในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ ทั้งนี้เนื่องจากจุดเด่นของขั้วแอโนดสังกะสี ซึ่งสามารถจ่ายอิเล็กตรอนได้สองตัว (Zn2+) ทำให้ค่าความความจุต่อปริมาตรตามทฤษฎีนั้นค่อนข้างสูงถึง 5,851 mAh.cm-3 รองจากแบตเตอรี่อะลูมิเนียมไอออน และมีค่าศักย์ไฟฟ้าสมดุลต่ำ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากเป็นธาตุที่ไม่ทำปฏิกริยากับอากาศและความชื่น อีกทั้งยังใช้ระบบอิเล็กโทรไลต์แบบฐานน้ำ (aqueous based) ซึ่งสมบัติเหล่านี้ส่งผลดีต่อการใช้เป็นแอโนดในแบตเตอรี่ทุติยภูมิ (Rechargeable battery) นอกจากนี้ธาตุสังกะสียังมีราคาถูกจึงทำให้ต้นทุนต่ำเนื่องจากเป็นธาตุที่มีปริมาณมากในธรรมชาติ โดยเฉพาะในประเทศไทย ที่ดอยผาแดง จ.ตาก ซึ่งเป็นแหล่งแร่สังกะสีแหล่งใหญ่แห่งหนึ่งของโลกและเป็นแหล่งใหญ่ที่สุดในทวีปเอเชีย ซึ่งมีปริมาณสำรองประมาณ 4.2 ล้านเมตริกตัน สำหรับการพัฒนาในประเทศไทย

      แบตเตอรี่ชนิดใหม่ที่มีความปลอดภัย และมีต้นทุนที่ถูกกว่าการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยสามารถนำเข้าไปทดแทนการใช้แบตแตอรี่ในกลุ่มธุรกิจเดิมที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อย่างระบบกักเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ เช่น แบตเตอรี่ที่ใช้กักเก็บพลังงานในระบบ Grid แบตเตอรี่ที่ใช้กักเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานทดแทน และในระบบสำรองไฟฟ้าในบ้านเรือน (Home use battery) หรือแบตเตอรี่เพื่อกับงานทางด้านความมั่นคง เช่น แบตเตอรี่สำหรับสถานีวิทยุสื่อสาร ยานต์รบ เรือดำน้ำ หรือการใช้กับรถยนต์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่ไม่มีประเด็นน้ำหนักมาเป็นขอ้จำกัด เช่น รถบัสไฟฟ้า (E-Bus) หรือรถบรรทุกไฟฟ้า (E-truck) เป็นต้น โดยคาดว่าในระยะใกล้ผลที่เกิดขึ้นทำให้เกิดแบตเตอรี่ทางเลือกที่สามารถทดแทนการใช้แบตเตอรี่ลิเธียมเพียงอย่างเดียวในการประยุกต์ใช้งานบางอย่างที่ต้องการความปลอดภัยสูง และในระยะไกลจะส่งผลให้เกิดเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ไม่ใช้ลิเธียมลดการผูกขาดและพึ่งพาสร้างความมั่นคงด้านพลังงาน

       ปัจจุบันทีมวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช.ร่วมกับจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยสามารถพัฒนาต้นแบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออน โดยนำเทคโนโลยีกราฟีนที่ฝ่ายวิจัยกราฟีนและนวัตกรรมการพิมพ์อิเล็กทรอนิกส์ สวทช. มีความเชี่ยวชาญเข้ามาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพจนสามารถพัฒนาได้แบตเตอรี่สังกะสีไอออนที่มีค่าความจุต่อน้ำหนักสูงอยู่ในช่วง 180-200 mAh.g-1 และมีค่าความหนาแน่นพลังงานอยู่ในช่วง 180-200 Wh.kg-1 ซึ่งสามารแข่งขันได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนบางชนิด อย่างไรก็ตามประเด็นสำคัญที่เป็นความท้าท้ายของแบตเตอรี่ชนิดนี้คือการพัฒนาให้มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน (cycle ability) เพื่อให้แข่งขันได้กับแบตเตอรี่ที่มีในท้องตลาด

งานวิจัยที่ผ่านมา