การออกแบบใหม่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพด้านพลังงาน อายุการใช้งาน และความคุ้มค่าของเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานยุคใหม่
อัปเดตเมื่อ: 15 พฤษภาคม 2025 เวลา 16:49 น. (EST)
แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศ (ZABs) กำลังกลายเป็นทางเลือกที่น่าสนใจในการแข่งขันระดับโลกเพื่อพัฒนาเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานที่ดียิ่งขึ้น
แบตเตอรี่ชนิดนี้ทำงานโดยดูดออกซิเจนจากอากาศและทำปฏิกิริยากับโลหะสังกะสีเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่ ZABs มีน้ำหนักเบากว่า ปลอดภัยกว่า และมีแนวโน้มว่าจะมีต้นทุนต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนแบบดั้งเดิม ซึ่งต้องพึ่งพาวัสดุหายากและไม่เสถียร เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว ZABs ยังมีความหนาแน่นพลังงานเชิงทฤษฎีสูงกว่า และมีความเสี่ยงต่อการร้อนเกินหรือการลุกไหม้น้อยกว่าด้วย แต่ศักยภาพของแบตเตอรี่ชนิดนี้ถูกจำกัดมาอย่างยาวนาน เนื่องจากปฏิกิริยาการรีดักชันของออกซิเจน (ORR) ที่เกิดขึ้นอย่างเชื่องช้า ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญที่โมเลกุลออกซิเจนถูกเปลี่ยนแปลงระหว่างการคายประจุ การที่ ORR ดำเนินไปอย่างช้า ทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมลดลง และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง เพื่อแก้ปัญหาคอขวดนี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโทโฮคุได้พัฒนา “ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมคู่” (dual-atom catalyst) ซึ่งอาจเปลี่ยนเกมของวงการพลังงานไปอย่างสิ้นเชิง
ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมคู่ช่วยยกระดับประสิทธิภาพอย่างก้าวกระโดด
ภายใต้การนำของ ผู้ช่วยศาสตราจารย์ตี้ จาง (Di Zhang) จากสถาบันวิจัยวัสดุขั้นสูง (WPI-AIMR) ทีมวิจัยได้ออกแบบ ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมคู่ชนิดใหม่ โดยจับคู่อะตอมของ เหล็ก (Fe) และ โคบอลต์ (Co) เข้าด้วยกันอะตอมเหล่านี้ถูกฝังไว้ในโครงสร้างพรุนที่ประกอบด้วย ไนโตรเจนและคาร์บอน กลายเป็นวัสดุที่มีชื่อว่า Fe₁Co₁-N-C โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ทีมวิจัยได้ศึกษาว่าระดับ pH มีอิทธิพลต่อปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน (ORR) อย่างไร ซึ่งช่วยให้สามารถออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีคุณสมบัติเหมาะสมสำหรับ สภาพแวดล้อมแบบด่าง ในแบตเตอรี่ จากนั้น พวกเขาสร้างโครงสร้างนี้ขึ้นด้วย เทคนิคแม่แบบ (template method) ร่วมกับการกระตุ้นด้วย ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂ activation) ซึ่งช่วยสร้างรูพรุนขนาดเล็กที่จำเป็นต่อการลำเลียงสารตั้งต้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ผลลัพธ์ที่ได้คือ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่เพียงแต่เร่ง ORR ได้เร็วขึ้นเท่านั้น แต่ยังมีประสิทธิภาพเหนือกว่าตัวเร่งแพลทินัมแบบดั้งเดิม (Pt/C) อีกด้วย
ก้าวข้ามขีดจำกัดแพลทินัม
ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบอะตอมคู่ Fe₁Co₁-N-C แสดงสมรรถนะในการเร่งปฏิกิริยารีดักชันของออกซิเจน (ORR) ได้เหนือกว่าแพลทินัมอย่างชัดเจน จากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ แบตเตอรี่สังกะสี-อากาศที่ใช้ตัวเร่งนี้สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดได้ถึง 1.51 โวลต์ ซึ่งถือเป็นตัวชี้วัดที่แข็งแกร่งของศักยภาพทางพลังงาน
นอกจากนี้ แบตเตอรี่ยังให้ค่าความหนาแน่นพลังงานสูงถึง 1,079 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัมของสังกะสี (Wh/kgZn) ซึ่งสูงกว่าค่าเฉลี่ยของระบบแบตเตอรี่ประเภทเดียวกันแม้จะเผชิญกับความต้องการกระแสไฟฟ้าสูง (ตั้งแต่ 2 ไปจนถึง 600 มิลลิแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร) แบตเตอรี่ก็ยังรักษาประสิทธิภาพในการจ่ายพลังงานได้อย่างยอดเยี่ยม
จุดเด่นที่สุดคืออายุการใช้งาน — แบตเตอรี่สามารถทำงานได้ยาวนานกว่า 3,600 ชั่วโมง และรองรับรอบการชาร์จ/คายประจุได้ถึง 7,200 รอบ ภายใต้ระดับกระแสปานกลาง ซึ่งสูงเกินกว่าที่แบตเตอรี่ในปัจจุบันจะทำได้
“งานนี้แสดงให้เห็นถึงแนวทางที่มีประสิทธิภาพและเป็นระบบในการออกแบบและสร้างตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถนำไปใช้งานจริงได้” — ดร.จาง กล่าว “ด้วยการผสานทฤษฎีกับกระบวนการสังเคราะห์ที่ใช้งานได้จริง เราสามารถพัฒนาตัวเร่งที่ยกระดับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศได้อย่างชัดเจน”
ศักยภาพในโลกจริง และทิศทางต่อไปของงานวิจัย
ความสำเร็จของตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมคู่ชิ้นนี้ชี้ให้เห็นทิศทางที่เป็นไปได้สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ ZABs ที่มีราคาถูกกว่า ใช้งานได้นานขึ้น และมีประสิทธิภาพสูงขึ้นเนื่องจาก เหล็กและโคบอลต์ เป็นวัสดุที่หาง่ายและต้นทุนต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับแพลทินัม การขยายการผลิตในระดับอุตสาหกรรมจึงมีความเป็นไปได้สูง สำหรับขั้นตอนต่อไป ทีมวิจัยมีแผนจะพัฒนา ความแม่นยำในการควบคุมการจับคู่อะตอม ให้ดีขึ้น และพัฒนาเทคนิคใหม่ในการระบุ จุดออกฤทธิ์เฉพาะในตัวเร่งปฏิกิริยา ที่มีบทบาทสำคัญต่อ ORR การต่อยอดเทคโนโลยีตัวเร่งแบบอะตอมคู่จะช่วยเปิดทางสู่การยกระดับ เทคโนโลยีแปลงพลังงาน สำหรับ ยานยนต์ไฟฟ้า และ ระบบพลังงานหมุนเวียน ที่มีบทบาทสำคัญในอนาคต
แล้วพบกับสาระดีๆแบบนี้ทางด้านงานช่าง งานวิศวกรรม และอุตสาหกรรมได้ที่ นายช่างมาแชร์ นะครับ
Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit : https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/@naichangmashare
TikTok : https://www.tiktok.com/@naichangmashare
