ภาควิชาเคมี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่

นักวิจัยคณะวิทย์ มช. นำทีมพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดจากสารอินทรีย์ชนิดใหม่ สร้างโอกาสพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานประสิทธิภาพสูง

นักวิจัยคณะวิทย์ มช. นำทีมพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดจากสารอินทรีย์ชนิดใหม่ สร้างโอกาสพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานประสิทธิภาพสูง

อ.ดร.นัทธวัฒน์ เสมากูล และนายสิรกรณ์ วิรัตน์จันทร์ (Organic Synthesis and Catalysis Laboratory) รศ.ดร.ฐปนีย์ สารครศรี ดร.ธนภัทร อัฐวงค์ และนางสาวแวววาว ยอดยิ่ง (Renewable Energy Laboratory) ภาควิชาเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ร่วมกับ อ.ดร.สิรีนาถ สุรินทร์วงศ์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี และ Prof. Takumi Konno, Osaka University ได้ทำการศึกษาวิจัยในหัวข้อ วัสดุอิเล็กโทรดอินทรีย์จากปฏิกิริยาเอโซคัปปลิงสำหรับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ยั่งยืน (Organic Electrode from Azo Coupling for Sustainable Lithium-ion Batteries)

โดยในงานวิจัยนี้ นักวิจัยได้ร่วมกันพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดจากสารอินทรีย์ชนิดใหม่ และนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้สำเร็จ ซึ่งเป็นการสร้างโอกาสพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานประสิทธิภาพสูง และมีความยั่งยืนในอนาคต

ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมีความสำคัญในชีวิตประจำวันอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ แต่ทว่าวัสดุอิเล็กโทรดที่ใช้ในแบตเตอรี่ทางการค้าใช้สารอนินทรีย์เป็นหลัก ซึ่งเป็นทรัพยากรที่ใช้แล้วหมดไป (non-renewable resource) ส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากการทำเหมืองแร่ และการนำกลับมาใช้ใหม่

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา วัสดุอิเล็กโทรดอินทรีย์ (organic electrode materials) กำลังได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลก ในการพัฒนาเป็นวัสดุอิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ชนิดชาร์จใหม่ได้ (rechargable batteries) แต่ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้นของการวิจัยและพัฒนา ก่อนที่จะนำไปสู่การใช้งานจริง

ทั้งนี้ สารอินทรีย์ประกอบด้วยธาตุคาร์บอน ไฮโดรเจน ออกซิเจน และไนโตรเจน เป็นองค์ประกอบหลัก มีปริมาณมากในธรรมชาติ มีน้ำหนักเบา และสามารถปรับแต่งโครงสร้างด้วยกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีอินทรีย์ แต่วัสดุอินทรีย์มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ และละลายได้ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ความสามารถในการชาร์จประจุ และอายุการใช้งาน

"สอนเคล็ดลับใหม่ให้กับปฏิกิริยาเก่า (𝐓𝐞𝐚𝐜𝐡𝐢𝐧𝐠 𝐚𝐧 𝐎𝐥𝐝 𝐑𝐞𝐚𝐜𝐭𝐢𝐨𝐧 𝐍𝐞𝐰 𝐓𝐫𝐢𝐜𝐤𝐬)"

ทีมนักวิจัย Sci-CMU Battery Research คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่ ได้พัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดจากสารอินทรีย์ชนิดใหม่ และนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้สำเร็จ งานวิจัยดังกล่าวได้ตีพิมพ์ในวารสาร Chemical Engineering Journal

โดยทีมนักวิจัยได้รับแรงบันดาลใจจากปฏิกิริยาเอโซคัปปลิง (azo coupling) ในการเตรียมสีย้อม จากการสอนวิชาปฏิบัติการเคมีอินทรีย์ในมหาวิทยาลัยเชียงใหม่

ปฏิกิริยาเอโซคัปปลิงเป็นปฏิกิริยาที่รู้จักกันมายาวนานในการสังเคราะห์สีย้อม และยา เมื่อเลือกสารตั้งต้นที่เหมาะสมทีมนักวิจัยสามารถเตรียมวัสดุอินทรีย์ที่มีชื่อว่าพอลิเมอร์อินทรีย์รูพรุน (porous organic polymers, POPs) นักวิจัยพบว่าการใช้สารตั้งต้นที่ต่างกันทำให้วัสดุ POP ที่เตรียมได้มีปริมาณหมู่ฟังก์ชันและปริมาณรูพรุนที่ปรับแต่งได้ และที่สำคัญ วัสดุ POP ไม่ละลายในตัวทำละลายชนิดต่างๆ

ที่ผ่านมา ยังไม่มีการศึกษาการใช้งานของวัสดุ POP ที่เตรียมได้จากปฏิกิริยาเอโซคัปปลิงในการกักเก็บพลังงาน ทีมนักวิจัยเล็งเห็นถึงศักยภาพของหมู่ฟังก์ชันที่สามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนแบบผันกลับได้ เมื่อนำวัสดุ POP ไปทดสอบประสิทธิภาพแบตเตอรี่ชนิดเซลล์เม็ดกระดุม พบว่า วัสดุ POP ที่พัฒนาขึ้นมีความจุสูงถึง 211 mAh g⁻¹ ซึ่งมีประสิทธิภาพดีกว่าวัสดุที่มีรายงานที่ผ่านมา

และจากการศึกษาด้วยเทคนิคการวิเคราะห์ทางโครงสร้างเชิงลึกเปิดเผยถึงกลไกการคายประจุ-กักเก็บประจุ (discharge-charge) ของหมู่ฟังก์ชันที่อยู่ในวัสดุ POP เป็นครั้งแรก โดยหมู่ฟังก์ชัน Alpha-hydrazoketone จะถูกเปลี่ยนไปเป็น Alpha-hydrazophenolate เมื่อรับอิเล็กตรอนจำนวน 2 ตัว และสามารถจับกับลิเทียมไอออนได้ 2 ตัว และปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดแบบผันกลับได้ การเป็นโครงข่ายพอลิเมอร์ของวัสดุทำให้การละลายของสารในอิเล็กโทรไลต์ลดลง ทำให้สามารถใช้งานซ้ำได้มากกว่า 1000 รอบ

โดยทีมนักวิจัยคาดหวังว่าการค้นพบดังกล่าวจะเปิดโอกาสในการพัฒนาวัสดุในกลุ่มนี้เพื่อพัฒนาอุปกรณ์สำหรับการกักเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงและความยั่งยืนต่อไปในอนาคต

ผู้สนใจอ่านบทความวิจัยได้ที่ Chemical Engineering Journal

Volume 466, 15 June 2023

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143090