นวัตกรรมวัสดุเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวด

นักวิจัยมก.พัฒนาประสิทธิภาพอุปกรณ์ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดจากนวัตกรรมวัสดุผสมกราฟีน  ได้รับรางวัลผลงานประดิษฐ์คิดค้น สาขาวิทยาศาสตร์เคมีและเภสัช จากสภาวิจัยแห่งชาติ


ความต้องการใช้พลังงานของประชากรโลกมีอัตราสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง มีการคิดค้นหาพลังงานทางเลือกหลากหลายรูปแบบเพิ่มขึ้นตลอดเวลา อย่างไรก็ตามแม้จะมีการคิดค้นหารูปแบบพลังงานทดแทนเพิ่มขึ้น แต่ก็ไม่สามารถปฏิเสธความสำคัญของแนวคิดในการกักเก็บพลังงานที่ผลิตขึ้นให้มีใช้เพียงพอกับความต้องการได้ ปัจจุบันอุปกรณ์กักเก็บพลังงานไฟฟ้าที่นิยมใช้คือแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุ ซึ่งต่างมีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกัน เช่นข้อดีของแบตเตอรี่ คือ มีค่าความหนาแน่นของพลังงาน ทำให้ใช้งานได้นาน แต่ข้อเสีย คือ มีค่าความหนาแน่นของกำลังต่ำ ทำให้ต้องเสียเวลาในการชาร์จไฟฟ้าให้เต็มนาน ขณะที่ตัวเก็บประจุไฟฟ้ามีคุณสมบัติที่ตรงข้ามกัน จึงได้มีการพัฒนาประสิทธิภาพอุปกรณ์เก็บประจุไฟฟ้าให้มีคุณสมบัติดีขึ้น โดยการเพิ่มค่าความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของกำลังให้มากยิ่งขึ้น กลายเป็นตัวเก็บประจุชนิดใหม่ที่ชื่อว่า ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวด

ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ถือว่าเป็น ‘เทคโนโลยีสะอาด’ มีอัตราในการรับและคายประจุได้เร็ว มีอายุการใช้งานนาน มีความเสถียร และสามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้หลายชนิด เช่น รถยนต์ไฮบริดจ์ โน้ตบุ๊ก และ โทรศัพท์มือถือ

ด้วยเล็งเห็นศักยภาพของประโยชน์การใช้งานที่หลากหลายสามารถตอบโจทย์ความต้องการใช้งานที่จะมีเพิ่มสูงขึ้นเรื่อยๆ  ผศ.ดร.มนตรี สว่างพฤกษ์ จากภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ จึงทำการวิจัยและพัฒนาหาวัสดุชนิดใหม่เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวด โดยมุ่งเน้นการเพิ่มค่าความหนาแน่นของพลังงาน และ ค่าความจุไฟฟ้าจำเพาะให้สูงยิ่งขึ้น

ในงานวิจัยนี้ได้เลือกกราฟีนออกไซด์มาใช้เป็นวัสดุในตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวด โดยซ้าย-ภาพถ่ายของโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์ Cu-BTC Metal Organic Framework ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กครอนแบบส่องกราดที่กำลังขยาย 2000เท่า
ขวา-ภาพถ่ายของกราฟีนออกไซด์ (GO) ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดที่กาลังขยาย 2000 เท่า  พบว่ากราฟีนออกไซด์มีลักษณะเป็นแผ่นหยักขดซ้อนทับกันอยู่หลายๆชั้น

ทำการสังเคราะห์วัสดุระดับนาโนเมตร คือ กราฟีนออกไซด์ จากการออกซิไดซ์ผลึกกราไฟต์ เนื่องจากขั้นตอนในการสังเคราะค่อนข้างง่ายและมีราคาถูก มีประสิทธิภาพในการผลิตสูง อีกทั้งยังง่ายในการขยายกำลังการผลิต แต่กราฟีนออกไซด์มีค่าการนำไฟฟ้าที่ต่ำ ทำให้ประสิทธิภาพในการเก็บประจุไม่ดีเท่าที่ควร จึงเลือกวัสดุโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์ Copper based metal-organic framework  ที่มีคุณสมบัติมีพื้นที่ผิวสูงและ ทนต่อความชื้นสูง มาใช้เป็นสารผสมเป็นวัสดุผสมกราฟีนออกไซด์-วัสดุโครงข่ายโลหะผลึกสารอินทรีย์(GO/ Cu-BTC MOFs) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บประจุให้ดียิ่งขึ้น หลังจากนั้นได้ทำการเพิ่มประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้าของกราฟีนออกไซด์ โดยการรีดิวซ์ให้กลายเป็นกราฟีน

ภาพถ่ายของวัสดุผสมกราฟีน -แมงกานีสออกไซด์ (rGO-Mn2O3) ที่อัตราส่วนโดยมวลกราฟีน:แมงกานีส 1:1 ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด(ซ้าย)และด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดส่องผ่าน(ขวา)

กราฟีน (Graphene) คือ แผ่นผลึกคาร์บอนลักษณะโครงสร้างเป็นรูปรังผึ้งที่มีการจัดเรียงตัวเป็นแบบ อะตอมเดี่ยวหนึ่งชั้น มีคุณสมบัติที่โดดเด่นคือมีพื้นที่ผิวจำเพาะสูง มีค่าความจุทางไฟฟ้าเชิงควอนตัมที่เป็น โครงสร้างคาร์บอนที่ให้ค่าความจุไฟฟ้ามากที่สุดในบรรดาคาร์บอนทั้งหมด พื้นที่ทั้งสองด้านของแผ่นกราฟีนสามารถเก็บประจุบวกของสารละลายอิเล็กโทรไลต์แบบผันกลับได้ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวด

นอกจากนี้ยังได้ทำการศึกษาหาสภาวะที่เหมาะสมในการสังเคราะห์วัสดุผสมกราฟีนกับแมงกานีสออกไซด์ และโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์เช่นอุณหภูมิ เวลา ความเข้มข้นของสารตั้งต้น เพื่อศึกษาและเปรียบเทียบประสิทธิภาพในการเก็บประจุไฟฟ้าของวัสดุดังกล่าว เนื่องจากการเก็บประจุของกราฟีนจะเก็บประจุด้วยวิธีการเก็บประจุเชิงกายภาพ (Physic sorption) ซึ่งมีข้อดีคือ มีอัตราเร็วในการกักเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์สูง แต่มีข้อด้อยตรงที่ ความเสถียรในการเก็บประจุต่ำ จึงเลือกแมงกานีส อะซิเตท มาผสมกับการกราฟีนในขั้นตอนการสังเคราะห์กราฟีน จากกราฟีนออกไซด์ เนื่องจาก แมงกานีส อะซิเตท เมื่อโดนความร้อนจะได้แมงกานีสออกไซด์ เป็นโลหะออกไซด์ที่ใช้วิธีการเก็บประจุแบบเชิงเคมี (chemisorption) เกิดปฏิกิริยากับสารอิเล็กโทรไลต์ ทำให้สามารถเพิ่มความสเถียรในการเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ได้  และทำการศึกษาโครงสร้าง องค์ประกอบทางเคมี สมบัติเชิงอิเล็คโทรนิคของวัสดุผสม ศึกษาความสามารถในการกักเก็บพลังงานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดวัสดุผสมกราฟีนออกไซด์-โครงข่ายผลึกสารอินทรีย์ (GO/Cu-BTC MOFs) โดยเปรียบเทียบจากร้อยละโดยมวลของกราฟีนออกไซด์ระดับต่างๆ และศึกษาความสามารถในการกักเก็บพลังงานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดกราฟีน-แมงกานีสออกไซด์ (rGO-Mn2O3) จากร้อยละโดยมวลของแมงกานีสระดับต่างๆรวมทั้งศึกษาความสามารถในการกักเก็บพลังงานของตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดที่นำไปผสมกับวัสดุโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์ (Cu-BTC MOFs)

จากการศึกษาค่าการเก็บประจุไฟฟ้าพบว่าวัสดุผสมกราฟีนออกไซด์กับโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์มีประสิทธิภาพในการเก็บประจุมากกว่าวัสดุกราฟีนออกไซด์ โดยวัสดุที่ประกอบด้วยสี่เปอร์เซ็นต์กราฟีนออกไซด์ให้ประสิทธิภาพสูงสุดใน การเก็บประจุ ส่วนวัสดุผสมกราฟีนกับแมงกานีสออกไซด์ที่นำไปผสมกับโครงข่ายโลหะ มีประสิทธิภาพในการเก็บประจุมากกว่าวัสดุผสมกราฟีนกับไดแมงกานีสไตรออกไซด์ และวัสดุกราฟีน ตามลำดับ โดยสามารถหาอัตราส่วนโดยมวลของกราฟีนกับแมงกานีสที่เหมาะสมที่จะให้ค่าการเก็บประจุสูงสุดได้ นอกจากนี้จากผลการทดลองสามารถสรุปได้ว่าโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์มีพื้นที่ ผิวต่อปริมาตรสูง และมีรูพรุนมากจะส่งผลให้เกิดแรงดึงแคพิลลารีช่วยให้การถ่ายเทมวลสารเร็วขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพในการเก็บประจุไฟฟ้าของวัสดุผสมที่มีวัสดุโครงข่ายโลหะสารอินทรีย์สูงยิ่งขึ้น

ผลการทดลองนี้จึงได้นวัตกรรมวัสดุผสมกราฟีนออกไซด์-โครงข่ายโลหะสารอินทรีย์ และวัสดุผสมกราฟีน-แมงกานีสออกไซด์ เป็นตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดแบบไฮบริดจ์ โดยมีค่าการเก็บประจุสูงสุด และแสดงให้เห็นว่า โครงข่ายโลหะสารอินทรีย์ Cu-BTC Metal organic สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการเก็บประจุของแผ่นกราฟีนออกไซด์ และวัสดุผสมกราฟีน-แมงกานีสออกไซด์ได้ เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีพื้นที่ผิวสูงซึ่งจะช่วยเพิ่มการกระจายตัวของกราฟีนออกไซด์ และ วัสดุผสมกราฟีน-แมงกานีสออกไซด์ได้ รวมทั้งคุณสมบัติที่มีรูพรุนสูง ซึ่งช่วยเพิ่มแรงเหนี่ยวนำให้ประจุในสารละลายอิเล็กโทรไลต์เข้ามาใกล้กับแผ่นกราฟีนออกไซด์ และวัสดุผสมกราฟีน-แมงกานีสออกไซด์ได้ ทำให้แผ่นกราฟีนออกไซด์ และ วัสดุผสมกราฟีน-แมงกานีสออกไซด์ทำาปฏิกิริยากับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ได้มากยิ่งขึ้นนั่นเอง

ด้วยนวัตกรรมการพัฒนาวัสดุผสมระหว่างนาโนแมงกานีสออกไซด์ กับกราฟีนที่สังเคราะห์ขึ้น เพื่อพัฒนาอุปกรณ์ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดที่มีประสิทธิภาพนี้ จึงทำให้ผลงานวิจัยเรื่อง“ตัวเก็บประจุไฟฟ้าเคมียิ่งยวดของวัสดุมหัศจรรย์ “กราฟีน”ได้รับรางวัลผลงานประดิษฐ์คิดค้นประจำปี 2556 สาขาวิทยาศาสตร์ เคมี และเภสัช จากสภาวิจัยแห่งชาติเมื่อวันที่ 13 มกราคม 2557

%e0%b8%a1%e0%b8%99%e0%b8%95%e0%b8%a3%e0%b8%b5 ที่มาข้อมูล : โครงการวิจัยทุนอุดหนุนวิจัย มก.
หัวหน้าโครงการ : ผศ.ดร.มนตรี สว่างพฤกษ์
ภาควิชาวิศวกรรมเคมี คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ เรื่อง : ฝ่ายเผยแพร่งานวิจัย
สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่ง มก.
โทร. 02 561 1474
e-mail : rdiwan@ku.ac.th

       ผศ.ดร.มนตรี สว่างพฤกษ์