ได้ทั้งเก็บและจ่ายไฟ! อุปกรณ์เก็บพลังงาน ช่วยเสริมโครงสร้าง ถอดชิ้นส่วนรีไซเคิลได้

นักวิจัยพัฒนาอุปกรณ์กักเก็บพลังงานแบบบางที่ทำหน้าที่เป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างได้ พร้อมเก็บและจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ และออกแบบให้ถอดแยกชิ้นส่วนเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่

นักวิจัยพัฒนาแนวคิดอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่สามารถทำหน้าที่ได้มากกว่าการเก็บและจ่ายไฟ เพราะตัวอุปกรณ์ยังเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างและช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับชิ้นงานได้ ขณะเดียวกันยังสามารถถอดแยกชิ้นส่วนสำคัญเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ได้

แนวคิดนี้อาจช่วยตอบโจทย์อุปกรณ์แห่งอนาคตที่ต้องการทั้งพลังงาน น้ำหนักเบา และพื้นที่ขนาดกะทัดรัด เช่น ยานยนต์ไฟฟ้าน้ำหนักเบา โดรน อากาศยานขนาดเล็ก และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา อีกทั้งยังช่วยลดขยะจากอุปกรณ์กักเก็บพลังงานได้ด้วย

อุปกรณ์ที่เป็นทั้ง “โครงสร้าง” และ “แหล่งพลังงาน”

งานวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ จาก มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก (University of California San Diego) ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร ACS Energy Letters โดยทีมวิจัยนำโดย Tse Nga Ng และ Nandu Koripally พัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่า “ซูเปอร์คาปาซิเตอร์เชิงโครงสร้าง” (Structural Supercapacitor) ซึ่งรวมหน้าที่รับแรงทางกลเข้ากับการกักเก็บพลังงานไว้ในอุปกรณ์เดียว

จุดต่างจากอุปกรณ์กักเก็บพลังงานทั่วไป คือ แหล่งพลังงานไม่ได้ถูกออกแบบให้เป็นชิ้นส่วนที่แยกออกจากโครงสร้าง แต่ถูกผนวกเข้าไปเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างโดยตรง ทำให้สามารถช่วยเพิ่มความแข็งแรง ขณะเดียวกันก็เก็บและจ่ายพลังงานให้กับระบบที่ต้องการได้

ผลการทดสอบพบว่าอุปกรณ์มีค่าความแข็งเชิงดัด 13.9 กิกะปาสคาล (GPa) และมีพลังงานจำเพาะ 3.57 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม (Wh/kg) ที่ความหนาแน่นกำลัง 18 วัตต์ต่อกิโลกรัม (W/kg) ซึ่งเป็นตัวชี้วัดความสามารถในการเก็บพลังงานและจ่ายพลังงานของวัสดุ

ใช้สังกะสีและวัสดุคาร์บอนแทน

โครงสร้างของอุปกรณ์ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าที่ใช้ สังกะสีและแผ่นทองแดง อีกด้านยังใช้ เส้นใยคาร์บอน เป็นขั้วไฟฟ้า โดยมีชั้นอิเล็กโทรไลต์ของแข็งคั่นอยู่ตรงกลาง อิเล็กโทรไลต์ทำหน้าที่ช่วยให้ไอออนเคลื่อนที่ระหว่างขั้วไฟฟ้า เพื่อให้เกิดการเก็บและปล่อยพลังงาน

อีกหนึ่งสิ่งที่ทีมวิจัยให้ความสำคัญ คือการเลือกใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบและมีไอออนสังกะสี แทนอิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่ติดไฟได้ในซูเปอร์คาปาซิเตอร์บางประเภท จึงเป็นแนวทางที่มุ่งลดความเสี่ยงด้านการติดไฟและลดการพึ่งพาวัสดุที่มีข้อจำกัดด้านการจัดการเมื่อหมดอายุการใช้งาน

ทดลองติดตั้งกับปีกเครื่องร่อนขนาดเล็ก

เพื่อแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์สามารถทำหน้าที่เป็นทั้งส่วนหนึ่งของโครงสร้างและเป็นแหล่งพลังงานได้จริง ทีมวิจัยนำอุปกรณ์จำนวน 4 ชิ้นไปติดตั้งเข้ากับปีกของเครื่องร่อนขนาดเล็ก โดยอุปกรณ์ช่วยเพิ่มความแข็งให้กับปีก พร้อมจ่ายไฟให้มอเตอร์ใบพัดของเครื่องร่อน

เมื่อปล่อยเครื่องร่อนในลักษณะคล้ายเครื่องบินกระดาษ เครื่องร่อนที่ใช้พลังงานจากอุปกรณ์สามารถบินได้ประมาณ 3.7 เมตร ขณะที่เครื่องร่อนซึ่งไม่ได้ใช้พลังงานจากอุปกรณ์บินได้ประมาณ 3.4 เมตร การทดลองนี้เป็นการสาธิตแนวคิดในระดับต้นแบบ ไม่ได้หมายความว่าเทคโนโลยีพร้อมนำไปใช้กับเครื่องบินจริงในทันที

อย่างไรก็ตาม การทดสอบแสดงให้เห็นศักยภาพของการลดจำนวนชิ้นส่วนในระบบ เพราะอุปกรณ์เดียวสามารถทำหน้าที่ทั้งช่วยรับแรงและจ่ายพลังงานได้ แนวทางนี้จึงน่าสนใจสำหรับงานที่มีน้ำหนักและพื้นที่เป็นข้อจำกัด เช่น โดรน อุปกรณ์เคลื่อนที่ หรือยานยนต์ไฟฟ้าที่ต้องการลดน้ำหนักของระบบโดยรวม

ออกแบบให้ถอดแยกชิ้นส่วนได้

อีกจุดเด่นของงานวิจัยคือการคิดถึงช่วงท้ายของอายุการใช้งานตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบ ปัญหาของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานแบบหลายชั้นคือ วัสดุแต่ละส่วนมักถูกยึดติดกันแน่น ทำให้การแยกชิ้นส่วนเพื่อรีไซเคิลทำได้ยาก

ทีมวิจัยจึงใช้วัสดุประสานชนิดพิเศษที่สามารถยึดชั้นต่าง ๆ เข้าด้วยกันเมื่อผ่านความร้อน แต่สามารถสลายตัวได้เมื่อสัมผัสสารละลายกรดอ่อนที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบ เมื่อนำอุปกรณ์ไปแช่ในสารละลายดังกล่าว ชั้นต่าง ๆ สามารถแยกออกจากกันได้ภายในประมาณ 30 นาที โดยไม่ต้องใช้กระบวนการแยกชิ้นส่วนที่ซับซ้อน

หลังจากแยกชิ้นส่วนแล้ว ทีมวิจัยสามารถนำขั้วไฟฟ้าที่ทำจากเส้นใยคาร์บอนกลับมาใช้สร้างอุปกรณ์ชุดใหม่ได้อีก 2 ครั้ง โดยเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์และขั้วสังกะสีเป็นชุดใหม่ และพบว่าอุปกรณ์ที่สร้างขึ้นจากวัสดุที่นำกลับมาใช้ยังให้สมรรถนะใกล้เคียงกับอุปกรณ์เดิม

ผ่านการชาร์จ-คายประจุ กว่า 172,000 รอบ

เมื่อรวมตั้งแต่การผลิตอุปกรณ์ครั้งแรกจนถึงการนำเส้นใยคาร์บอนกลับมาใช้ซ้ำ 2 รอบ วัสดุส่วนนี้สามารถผ่านการชาร์จและคายประจุมากกว่า 172,000 รอบ โดยยังคงสมรรถนะทางไฟฟ้าใกล้เคียงเดิม ถือเป็นหลักฐานสำคัญว่าแนวคิดการนำชิ้นส่วนกลับมาใช้ใหม่สามารถทำควบคู่กับการรักษาประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้ในระดับการทดลอง

อย่างไรก็ตาม ตัวเลขดังกล่าวไม่ได้หมายความว่าอุปกรณ์ทั้งชิ้นสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ไม่จำกัด เพราะในการสร้างอุปกรณ์รอบใหม่ นักวิจัยยังต้องเปลี่ยนชิ้นส่วนบางรายการ และการทดลองทั้งหมดเกิดขึ้นในระดับต้นแบบห้องปฏิบัติการ จึงยังต้องมีการศึกษาต่อทั้งด้านความแข็งแรง อายุการใช้งาน การขยายขนาด และการกู้คืนวัสดุแต่ละส่วน จึงเป็นการช่วยลดปัญหาขยะอิเล็กทรอนิกส์ได้ในตัว

งานวิจัยนี้เสนอแนวทางใหม่ในการออกแบบอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน โดยรวมหน้าที่ เก็บไฟ จ่ายไฟ และช่วยรับแรงทางโครงสร้าง ไว้ในอุปกรณ์เดียว พร้อมออกแบบให้สามารถถอดแยกและนำวัสดุบางส่วนกลับมาใช้ใหม่ได้ ผลการทดลองที่พบว่าส่วนประกอบสามารถนำกลับมาใช้ซ้ำ 2 รอบและผ่านการชาร์จ-คายประจุกว่า 172,000 รอบ สะท้อนว่าแนวคิดด้านประสิทธิภาพและความยั่งยืนอาจพัฒนาไปพร้อมกันได้ แต่ยังต้องผ่านการทดสอบเพิ่มเติมก่อนนำไปใช้งานจริงในวงกว้าง

เรียบเรียงโดย ขนิษฐา จันทร์ทร

ที่มาข้อมูล: ucsd, acs, eurekalert, labmanager
ที่มาภาพ: ucsd

อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS

“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech