นักวิจัยนาโนเทค สวทช. พัฒนาต้นแบบขั้วไฟฟ้าจากเส้นใยกราฟีน เพื่อนำไปใช้ในแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล ที่ยืดหยุ่น โค้งงอได้ โดดเด่นด้วยความปลอดภัยจากการใช้น้ำเป็นอิเล็กโทรไลต์ ต้นทุนต่ำ สามารถประกอบได้ในสภาวะแวดล้อมปกติ เพิ่มทางเลือกใหม่นอกเหนือจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน เพื่อรองรับความต้องการของตลาดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ (wearable electronics) ที่มีการเติบโตสูงขึ้น
สิ่งทออัจฉริยะ ผิวหนังเทียม หรือระบบตรวจร่างที่มีการประมวลผลแบบทันที เป็นตัวอย่างของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ ซึ่งเป็นอุตสาหกรรมอนาคตที่มีอัตราการเติบโตเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การศึกษาวิจัยจาก Allied Market Research พบว่า มูลค่าตลาดโลกสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่อยู่ที่ราว 8.14 หมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐ ในปี 2020 และคาดการณ์ว่า จะเพิ่มเป็น 4.6 แสนล้านดอลลาร์สหรัฐ ในปี 2030 นับเป็นอัตราการเติบโตถึง 19.69% ในระหว่างปี 2021-2030 โดย 3 ตลาดใหญ่อยู่ในอเมริกาเหนือ ยุโรป และเอเชียแปซิฟิก ดังนั้น ระบบกักเก็บพลังงานสำหรับอุปกรณ์กลุ่มนี้ ก็มีความสำคัญเพิ่มขึ้นด้วยเช่นกัน
ดร. นครินทร์ ทรัพย์เจริญดี ทีมวิจัยนวัตกรรมเส้นใยนาโน กลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบนาโน ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า โครงการพัฒนาขั้วไฟฟ้าจากเส้นใยกราฟีนสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล (graphene-based fiber electrode fabrication for cable/fiber-shaped Zn-ion batteries) เป็นการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานทางเลือกเพื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ (wearable energy-storage systems)
ระบบกักเก็บพลังงานแบบพกพาได้ที่ถือส่วนแบ่งตลาดมากที่สุดในปัจจุบัน คือ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Li-ion battery) ซึ่งการเปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนให้มาอยู่ในรูปแบบของระบบกักเก็บพลังงานที่เหมาะสมกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่จะมีความท้าทายมากในเรื่องของการป้องกันรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ที่ไวไฟ รวมไปถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแบตเตอรี่และข้อจำกัดในเรื่องวัตถุดิบ ดังนั้นแล้ว ระบบกักเก็บพลังงานทางเลือกอื่นจึงเป็นที่สนใจ
“เพื่อที่จะเพิ่มทางเลือกของระบบกักเก็บพลังงานนอกเหนือจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนดังกล่าว เรามองไปที่แบตเตอรี่สังกะสีไอออน (Zn-ion battery) ซึ่งเป็นหนึ่งในระบบกักเก็บพลังงานที่ปลอดภัย เหมาะสมกับการใช้เป็นระบบกักเก็บพลังงานเพื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่เนื่องจากใช้น้ำเป็นอิเล็กโทรไลต์ ไม่ไวไฟ ลดความเสี่ยงการระเบิด และสามารถประกอบได้ในสภาวะแวดล้อมปกติ” ดร. นครินทร์กล่าว
อย่างไรก็ตาม ความท้าทายเชิงเทคนิคหลักในปัจจุบันที่ยังเป็นปัญหาต่อการใช้งานแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลคือ ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีและบรรจุภัณฑ์ที่ยังไม่เหมาะสมของแบตเตอรี่สังกะสีไอออนต่อการประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่
ทีมวิจัยจึงพัฒนากระบวนการ “การขึ้นรูปเส้นใยแคโทดสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล” โดยใช้วิธีที่ง่ายและมีต้นทุนในการผลิตต่ำ โดยเส้นใยแคโทดจะมีองค์ประกอบหลักคือ กราฟีน ที่เป็นโครงสร้างหลักของเส้นใยที่มีหน้าที่ในการนำไฟฟ้า และแมงกานีสไดออกไซด์ที่เป็นอนุภาคสำหรับกักเก็บประจุสังกะสีไอออน ซึ่งหลังจากการผ่านประบวนการผลิตเส้นใยดังกล่าวทางกายภาพและเคมี เส้นใยแคโทดจะถูกนำไปประกอบเป็นแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล โดยหลังจากนั้นจึงนำแบตเตอรี่ดังกล่าวไปวิเคราะห์ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมี และนำไปประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่
“ปัจจุบัน เราพัฒนาออกมาเป็นต้นแบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล โดยมีความจุของแบตเตอรี่อยู่ที่ 230 mAh/g ซึ่งสามารถเทียบได้กับแบตเตอรี่ลิเทียมแบบเหรียญ ที่เรารู้จักกันในชื่อ ถ่านกระดุม หรือแบตเตอรี่แบบแผ่น แน่นอนว่า ความจุของแบตเตอรี่สังกะสีไอออนไม่มากเท่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แต่ก็เพียงพอกับการให้พลังงานสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่”
ดร. วรล อินทะสันตา ผู้อำนวยการกลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบผสม กล่าวว่า การพัฒนาแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลเป็นหนึ่งในแผนงานที่สำคัญของหน่วยวิจัยในระยะ 5 ปีข้างหน้า ซึ่งทางหน่วยวิจัยพร้อมที่จะให้การสนับสนุนพัฒนาต้นแบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลเพื่อให้นำไปใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ได้
โดยข้อมูลจาก Gartner Inc. ที่คาดการณ์มูลค่าการซื้ออุปกรณ์สวมใส่ไฮเทค (wearable devices) ของผู้บริโภคทั่วโลกในปี 2564 ที่มีมูลค่ารวม 81.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ เพิ่มขึ้น 18.1% จาก 69 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ของปี 2563 ซึ่งปัจจัยสำคัญในการเติบโตอย่างรวดเร็วของตลาดกลุ่มนี้ก็คือ การระบาดของโควิด-19 ที่ทำให้เกิดการทำงานระยะไกล ทั้งกระแสของ Work from Home หรือ Work form Anywhere รวมถึงแนวโน้มในการดูแลใส่ใจสุขภาพ ที่ทำให้หูฟังและสมาร์ทวอชท์ ที่ใช้ในการทำงานระยะไกล, ออกกำลังกาย, ติดตามข้อมูลสุขภาพและอื่นๆนั้น เติบโตอย่างมาก
ที่สำคัญ อุปกรณ์สวมใส่ไฮเทคที่ Gartner Inc. ให้ความสนใจและเพิ่มเข้ามาเป็นอีก 1 หมวดคือ แผ่นแปะอัจฉริยะหรือสมาร์ทแพทช์ (smart patches) เซนเซอร์ตรวจเช็กสุขภาพที่ใช้ติดบนผิวหนังเพื่อตรวจวัดอุณหภูมิ, อัตราการเต้นของหัวใจ, น้ำตาลในเลือดและข้อมูลสุขภาพที่สำคัญอื่น ๆ ซึ่งให้ข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีอุปกรณ์สวมใส่อื่น ๆ อีกทั้งยังใช้สำหรับการกำหนดการจ่ายยาจากระยะไกลได้อีกด้วย เช่น การให้อินซูลินแก่ผู้ป่วยเบาหวาน ที่มีแนวโน้มจะมีตลาดจะมีความต้องการ และการเติบโตสูง
ดร. นครินทร์ ชี้ว่าความต้องการของตลาด ในกลุ่มอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูง ต้องการระบบกักเก็บพลังงานทางเลือกที่มีความยืดหยุ่น ปลอดภัย และสามารถปรับใช้กับการเคลือนไหวของคนได้ จะเป็นโอกาสสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลที่จะถูกพัฒนาต่อยอดเพื่อสามารถทำให้เกิดการใช้งานจริงในอนาคตได้
โครงการพัฒนาขั้วไฟฟ้าจากเส้นใยกราฟีนเพื่อแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล (Graphene-based fiber electrode fabrication for cable/fiber-shaped Zn-ion batteries) เป็นผลงานจากความร่วมมือระหว่างศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) กับ Wilson College of Textiles, North Carolina State University, USA และศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (เอ็นเทค) ภายใต้ทุนรัฐบาลกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตามความต้องการของศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ในสาขาวิชา Biomedical Engineering ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Fiber Materials และวารสาร ACS Applied Materials and Interfaces พร้อมได้รับอนุสิทธิบัตรสำหรับกรรมวิธีเตรียมขั้วแคโทดที่ประกอบด้วยเส้นใยรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์และแกมมา-แมงกานีสไดออกไซด์ (Graphene-based Fiber Shaped Zinc-Ion Batteries and Graphene-based Fiber Cathode Fabrication Process Thereof)
