อีกไม่นาน “รถไฟฟ้า” ที่ไม่ใช้น้ำมันจะเข้ามาวิ่งบนท้องถนนมากขึ้น ซึ่งหัวใจสำคัญของของรถใช้ไฟฟ้าคือการกักเก็บพลังงาน และแบตเตอรี่ก็ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญ แต่การทำงานด้วยแบตเตอรีอย่างเดียวนั้นเป็นภาระที่หนักเกินไป
แบตเตอรี่มีข้อเสียที่ไม่สามารถปลดปล่อยกระแสไฟฟ้าหรือชาร์จไฟอย่างรวดเร็วได้ และการจ่ายกระแสที่สูงจะทำให้แบตเตอรี่เกิดการเสื่อมสภาพ อีกทั้งต้นทุนและการเปลี่ยนเบตเตอรี่ยังมีราคาสูง แต่ทางออกของปัญหานี้คือการใช้ “ตัวเก็บประจุยิ่งยวด” ที่สามารถจ่ายกระแสได้ภายในระยะเวลาอันสั้น ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ด้วย
“ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถเก็บพลังงานได้เหมือนแบตเตอรี่ แต่เก็บได้ไวกว่า ใช้เวลาสั้นกว่า และคายพลังงานได้เร็วกว่า ในรถไฟฟ้าช่วงเวลาเร่งความเร็ว ถ้าดึงพลังงานจากแบตเตอรี่จะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็ว ดังนั้น ช่วงที่ต้องการพลังงานในช่วงเวลาสั้นๆ ให้ตัวเก็บประจุช่วยทำหน้าที่นี้ ซึ่งในระบบกักเก็บพลังงานนั้นทั้งแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุต้องมาคู่กัน” ผศ.ดร.คณิน เนื่องโนราช จากสถาบันเทคโนโลยีนานาชาติสิรินธร
ทั้งนี้ ผศ.ดร.คณิน มีผลงานพัฒนาขั้วไฟฟ้าสำหรับตัวเก็บประจุยิ่งยวดคุณภาพสูงจากวัตถุดิบภายในประเทศ โดยหนึ่งในวัตถุดิบนั้นคือ “เปลือกกุ้ง” ซึ่งเป็นวัตถุดิบจากของเหลือทิ้งที่หาได้ง่าย จากจำนวนเหลือทิ้งที่มีมากถึงปีละหลายแสนตัน
ผศ.ดร.คณินอธิบายให้ทีมข่าวผู้จัดการวิทยาศาสตร์ฟังว่า ทั้งแบตเตอรี่และตัวเก็บประจุยิ่งยวดนั้น จำเป็นต้องมี “ขั้ว” (ไฟฟ้า) โดยวัสดุสำหรับผลิตขั้วคือคาร์บอน แต่หลักการเก็บพลังงานของตัวกักเก็บพลังงานทั้งสองชนิดนั้นทำงานต่างกัน หากเป็นแบตเตอรี่จะอาศัยปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ส่วนตัวเก็บประจุจะไม่มีการทำปฏิกิริยา
“ตัวเก็บประจุนั้นเมื่อใส่แรงดันไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ให้เป็นขั้วบวก ก็จะเกิดขั้วลบวิ่งมาติด ถ้าขั้วบวกมีพื้นที่เยอะกว่าก็จะทำให้ไอออนวิ่งมาแปะได้เยอะ จึงเก็บประจุได้เยอะขึ้น แต่การเพิ่มพื้่นที่เพื่อให้เก็บประจุได้เยอะๆ ก็มีข้อจำกัด จึงมีการปรับเปลี่ยนกลไกการเก็บประจุ ซึ่งปกติต้องใช้กรด-เบสที่รุนแรง และทำภายใต้อุณหภูมิสูง แต่ผมไม่อยากได้แบบนั้น จึงเลือกวิธีเติมไนโตรเจนเพื่อปรับเปลี่ยนกลไกการเก็บประจุ” ผศ.ดร.คณินระบุ
ในการเติมไนโตรเจนนั้น ผศ.ดร.คณินเลือกวิธีคัดสรรวัตถุดิบสำหรับผลิตตัวเก็บประจุที่มีไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบ ภายใต้เงื่อนไขว่าวัสดุนั้นต้องมีอยู่มากมายและหาได้ง่ายในประเทศไทย และจากการคัดเลือกวัสดุหลายๆ อย่าง พบว่า “เปลือกกุ้ง” เป็นวัตถุดิบที่เหมาะสม เพราะมีเหลือทิ้งอยู่มากกมายหลายแสนตัน
เมื่อได้เปลือกกุ้งที่เป็นแหล่งไนโตรเจนแล้ว ก็ต้องคัดสรรวัสดุที่ให้คาร์บอนที่เป็นองค์ประกอบของขั้วตัวเก็บประจุ ซึ่ง ผศ.ดร.คณิน ได้คัดเลือกลิกนินซึ่งเป็นองค์ประกอบในไม้ ใบไม้หรือชีวมวลเหลือทิ้งต่างๆ จากนั้นทดลองหาสัดส่วนที่เหมาะสมระหว่างเปลือกกุ้งและลิกนิน จนได้จุดที่ดีที่สุดคือได้วัสดุที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงสุดและมีไนโตรเจนเหมาะสม
วัสดุที่ได้มีค่าพื้นที่ผิวจำเพาะสูงกว่า 2,300 ตารางเมตรต่อกรัม และมีไนโตรเจนที่มีโครงสร้างเหมาะต่อการเก็บประจุ จากนั้นเป็นขั้นตอนการเตรียม “เซลล์” (cell) โดยนำวัสดุที่ได้ไปผลิตให้อยู่ในรูปสารละลายแล้วปาดลงบนแผ่นอลูมิเนียม กลายเป็นขั้วไฟฟ้า 1 ขั้ว แล้วประกบด้วยแผ่นอลูมิเนียมอีกแผ่นที่ปาดสารละลายเดียวกันลงไป แต่มีฉนวนไฟฟ้ากั้นกลางระหว่างแผ่นทั้งสองเพื่อป้องกันการช็อต
ทีมวิจัย ผศ.ดร.คณิน นำแผ่นอลูมิเนียมที่ปาดสารละลายข้างต้นมาพับซ้อนกันเป็นชั้นๆ จนได้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบซอง (pouch cell) ที่มีแรงดันขนาด 2.5 โวลต์ และ 15 โวลต์ ซึ่งมีค่าความหนาแน่นพลังงาน (energy density) อยู่ที่ 14-28 วัตต์ชั่วโมงต่อกิโลกรัม เทียบเท่าตัวเก็บประจุยิ่งยวดทั่วไปที่มีอยู่ในท้องตลาด
นอกจากเปลือกกุ้งแล้ว ผศ.ดร.คณิน ระบุว่า “กากใบชา” เป็นอีกตัวเลือกที่ดี เพราะมีองค์ประกอบทั้งคาร์บอนและไนโตรเจน อีกทั้งยังไม่มีกลิ่นรบกวนเหมือนเปลือกกุ้ง ส่วนตัวเลือกอื่นๆ ที่เคยนำมาทดลองแล้วพบว่าได้ผลไม่ดีคือเปลือกปู และกากกาแฟ
สำหรับงานวิจัยนี้เป็น 1 ใน 27 โครงการวิจัยที่ได้รับทุนจาก “โครงการสนับสนุนการศึกษา วิจัย พัฒนาเทคโนโลยีพลังงานทดแทน ปีงบประมาณ 2559 (Energy Storage)” ที่สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม (อว.) ได้รับมอบหมายจาก กองทุนเพื่อส่งเสริมการอนุรักษ์พลังงาน โดยสำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน (สนพ.) กระทรวงพลังงาน ให้ทำหน้าที่บริหารจัดการทุนวิจัย เพื่อสนับสนุนให้เกิดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงานในด้านต่างๆ เช่น ความมั่นคงและภัยพิบัติ พลังงานทดแทน และยานยนต์ไฟฟ้า
