"แกลบข้าว" อาจจะเป็นหัวใจของแบตเตอรี่ยุคใหม่ที่มีความจุมากกว่าเดิม 10 เท่า

By: terminus
Writer
on Wed, 10/07/2013 - 22:38

แบตเตอรี่แบบ Li-ion ที่ใช้กันทั่วไปทุกวันนี้ทั้งในโทรศัพท์มือถือ, คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ค, รถยนต์พลังงานไฟฟ้า ฯลฯ ใช้ขั้วแอโนดที่ทำจากกราไฟต์ (อัญรูปหนึ่งของธาตุคาร์บอน) ในทางทฤษฎี แบตเตอรี่แบบ Li-ion ที่ใช้ซิลิกอนเป็นขั้วแอโนดจะสามารถมีความจุได้มากถึงประมาณ 4,000 mAh/g หรือ 10 เท่าของแบตเตอรี่ชนิดเดียวกันที่ใช้กราไฟต์เป็นขั้วแอโนด (ประมาณ 370 mAh/g) แต่ปัญหาของซิลิกอนคือ มันจะขยายตัวอย่างมากขณะอัดประจุ ขั้วแอโนดซิลิกอนขณะอัดประจุอาจจะมีปริมาตรมากกว่าขณะคายประจุถึง 300% การบวมๆ หดๆ ของซิลิกาทำให้โครงสร้างขั้วแอโนดเกิดรอยร้าวหรือผิดรูปไป แบตเตอรี่จึงมีความจุลดลงเรื่อยๆ แบตเตอรี่ที่ขั้วแอโนดเป็นซิลิกอนอาจจะเหลือความจุเพียง 20-30% ของความจุตั้งต้นหลังจากการชาร์จเพียง 50 รอบ

ทีมวิจัยที่นำโดย Dae Soo Jung แห่ง Korea Advanced Institute of Science and Technology สังเกตว่าเปลือกของเมล็ดข้าวที่ถูกสีทิ้งออกมาเป็น "แกลบ" (rice husk) นั้นมีส่วนประกอบของซิลิกา 15-20% ซึ่งโครงสร้างซิลิกาของแกลบข้าวมีลักษณะเป็นชั้นเคลือบเปลือกเมล็ดข้าวภายนอกเอาไว้เพื่อป้องกันแมลงและเชื้อโรค ขณะเดียวกันชั้นซิลิกาบนแกลบก็จำเป็นจะต้องมีรูพรุนขนาดเล็กมากมายเพื่อให้น้ำและอากาศผ่านเข้าออก พวกเขาคิดว่าหากเราสามารถสร้างขั้วแอโนดซิลิคอนให้มีรูพรุนๆ เหมือนชั้นซิลิกาของแกลบได้ ตอนมันบวมๆ หดๆ โครงสร้างของซิลิคอนก็จะไม่เสียหาย ความจุของแบตเตอรี่ก็จะคงอยู่เท่าเดิม

แต่จะไปเสียเวลาทำซิลิกอนพรุนๆ เองทำไม ในเมื่อซิลิกาก็คือซิลิกอนที่จับอยู่กับออกซิเจนอยู่แล้ว พวกเขาจึงตกลงคิดหาวิธีที่ดึงเอาชั้นซิลิกาพรุนๆ ของแกลบมาทำขั้วแอโนดซะเลย ขั้นแรกพวกเขาเอาแกลบไปแช่กรดไฮโดรคลอริกแล้วก็เผาที่อุณหภูมิ 650 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 3 ชั่วโมง ความร้อนจะช่วยดึงเอาพวกสารอินทรีย์ออก ส่วนกรดไฮโดรคลอริกจะดึงธาตุโลหะ (เช่น โซเดียม, แคลเซียม, โพแทสเซียม) ออกโดยการทำปฏิกิริยาเกิดเป็นสารประกอบคลอไรด์ของโลหะ (หากไม่ดึงเอาธาตุโลหะออก โลหะจะทำปฏิกิริยากับซิลิกา ทำให้โครงสร้างชั้นซิลิกาพรุนๆ เสียหาย) หลังจากเสร็จขั้นตอนนี้ ก็จะได้ผลลัพธ์ออกมาเป็นชั้นซิลิกาพรุนๆ ที่มีความบริสุทธิ์ของซิลิกาถึง 99.92% ซึ่งเป็นระดับความบริสุทธิ์ที่สูงกว่าการสกัดจากแร่ควอร์ตซ์หรือ diatomaceous earth ด้วยวิธีเดียวกันเสียอีก


ภาพถ่ายกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงชั้นซิลิกาที่สกัดจากแกลบ; เครดิต Jung et al 2013

ขั้นตอนต่อไปก็คือการทำให้ซิลิกากลายเป็นซิลิกอน นักวิจัยใช้ปฏิกิริยา Redox โดยเติมแมกนีเซียมเข้าไปแล้วเอาไปเผาที่อุณหภูมิ 850 องศาเซลเซียสเป็นเวลา 3 ชั่วโมง แมกนีเซียมจะระเหยเป็นไอไปดึงเอาอะตอมออกซิเจนออกมาจากอ้อมอกของอะตอมซิลิกอน เหลือเป็นซิลิกอนที่จับกันอยู่เป็นโครงสร้างพรุนๆ ตามที่นักวิจัยต้องการ

ซิลิกอนที่ได้นี้ยังไม่พร้อมจะนำไปทำเป็นขั้วแอโนด จะต้องไปผ่านการเคลือบด้วยชั้นกราไฟต์บางๆ ก่อนเพื่อเพิ่มความนำไฟฟ้า หลังจากทำทุกอย่างเรียบร้อย นักวิจัยก็พบว่าพวกเขาสามารถสร้างเซลล์แบตเตอรี่แบบ Li-ion ที่มีความจุประมาณ 1,500 mAh/g ได้อย่างสบายๆ

เมื่อทดสอบลองชาร์จไปหลายๆ รอบ ก็ได้ผลออกมาเป็นที่น่าพอใจ ในการทดสอบอันหนึ่งที่ชาร์จประจุด้วยกระแสไฟฟ้าอัตรา 1 C (2,000 mA/g) แบตเตอรี่ขั้วซิลิกอนแกลบข้าวเก็บประจุได้ 100% ของความจุตั้งต้นหลังจากผ่านการชาร์จไปถึง 200 รอบ และแม้แต่ในการทดสอบที่ชาร์จด้วยอัตรากระแส 3 C (6,000 mA/g) แบตเตอรี่ขั้วซิลิกอนแกลบข้าวก็ยังเก็บประจุได้ 82% เต็มหลังจากผ่านการชาร์จไปถึง 300 รอบ


ภาพถ่ายกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแสดงขั้วแอโนดที่ทำด้วยซิลิกอนจากแกลบหลังจากผ่านการชาร์จ 50 รอบ; เครดิต Jung et al 2013

ในทุกๆ ปี มีแกลบข้าวออกมาจากโรงสีทั่วโลกรวมกันมากถึงเกือบ 100 ล้านเมตริกตัน หากเราสามารถยกระดับการสกัดซิลิกอนพรุนๆ จากแกลบข้าวให้ไปถึงระดับอุตสาหกรรมได้ ก็คงจะเป็นเรื่องดีไม่น้อย แค่จินตนาการถึงสมาร์ทโฟนแบตเตอรี่ 10,000 mAh หลายคนก็คงซาบซึ้งน้ำตาไหลพรากแล้ว ไหนจะแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์พลังงานไฟฟ้าอีก อย่างไรก็ตามขณะนี้ยังไม่มีใครกล้าฟันธงว่าการผลิตในระดับอุตสาหกรรมจะมีความเป็นไปได้มากน้อยแค่ไหน

งานวิจัยตีพิมพ์ใน PNAS DOI: 10.1073/pnas.1305025110

ที่มา - Ars Technica

10 Comments

hisoft's picture

ขั่ว => ขั้ว

ราคามันจะพุ่งเลยรึเปล่าครับ จากแกรไฟต์ธรรมดามาเป็นของที่ต้องแช่นู่นแช่นี่ เผาอีกไม่รู้กี่ชั่วโมง หรือต้องเอารำข้าวมาสกัดน้ำมันรำข้าวก่อนแล้วค่อยเอาน้ำมันรำข้าวไปเผาเพื่อให้คุ้มทุน

เห็นเรื่องแบตเตอรี่มีออกมาหลายรอบแล้ว อันนี้ดูเข้าท่าจริง ๆ แต่มันจะออกมาได้เมื่อไหร่กัน - -" จริง ๆ ผมเชียร์สายที่เป็นตัวเก็บประจุมากกว่า

The Phantom Thief

PaPaSEK's picture

ตรงนี้อีกนิดครับ

แมกนีเซียมจะระเหย "เป็นไปไอไป" ดึง

Bugbear's picture

จากต้นฉบับ rice husks แปลเป็นไทยเราเรียกว่าแกลบครับไม่ใช่รำ
ราคาของแกลบสูงขึ้นมาจากความต้องการซิลิกาและโรงไฟฟ้าแย่งกัน ได้ซัก 7-8 ปีแล้วครับ
จากตันละ 400 ขึ้นเป็นตันละ 800 บาท

moondrop's picture

แบบนี้ก็ใช้สำนวน กินแกรบ ไม่ได้แล้วสิครับ :P

terminus's picture

ขอบคุณครับ แก้ให้ตามนั้นครับ

ผมจำสลับกันมาตั้งนานว่าแกลบคือเปลือกส่วนใน รำคือเปลือกส่วนนอก ความจริงมันต้องกลับกันสินะ ขอโทษที่แปลผิดพลาดครับ

lancaster's picture

อ่านดูแล้วเหมือนจะแก้ปัญหาเรื่อง "จำนวน cycle ของแบตเตอรี่" มากกว่า "ความจุต่อปริมาตร" รึเปล่าครับ

Aphorist's picture

ก็คงไม่เชิงครับ คงควบ ๆ กันไปเพราะเปลี่ยนจากกราไฟมาใช้ซิลิกอนจากแกลบ ได้ประโยชน์ทั้งความจุเพิ่มและ จำนวน cycle ของแบต

hisoft's picture

ซิลิกอนคือตัวการหลักที่ทำให้ความจุต่อปริมาตรของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นครับ แต่ไม่สามารถนำมาใช้จริงได้เนื่องจากจำนวน cycle ต่ำมาก

ดังนั้น แกลบข้าวที่มาแก้ปัญหาจำนวน cycle ต่ำมาก จึงเป็นหัวใจหลักของแบตเตอรี่ยุคใหม่ที่มีความจุต่อปริมาตรสูงนี้ครับ ผมยังมองว่าหัวข้อแบบนี้เหมาะสมอยู่แล้ว

แต่จริง ๆ 300 cycle แล้วเหลือ 80% นี่ก็ไม่สูงมากนะครับ

The Phantom Thief