แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมซัลเฟอร์ที่ใช้วัสดุถ่านกัมมันต์ที่ผลิตจากเมล็ดข้าวเหนียวซึ่งผ่านกระบวนการปรับปรุงทางรังสีแกมมาเป็นขั้วแคโทด และกรรมวิธีการปรับปรุงคุณภาพของขั้วแบตเตอรี่ด้วยการฉายรังสี
- ชื่อนักเรียนผู้จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
สุขปวัตน์ เมืองสมบัติ, ภาสวร ลิ้มมีโชคชัย, กนก ศิริลัภยานนท์
- อาจารย์ที่ปรึกษาโครงงานวิทยาศาสตร์
สุรนันท์ อนันตชัยศิลป์
- โรงเรียนที่กำกับดูแลโครงงานวิทยาศาสตร์
- ปีที่จัดทำโครงงานวิทยาศาสตร์
บทคัดย่อโครงงานวิทยาศาสตร์
ในอนาคตตัวกักเก็บพลังงาน (energy storage) เช่น แบตเตอรี่จะเข้ามามีบทบาทอย่างมากในชีวิตประจำวัน เพื่อรองรับการเติบโตของยานยนต์ไฟฟ้าที่มีแนวโน้มเข้ามาแทนที่ยานยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงฟอสซิล ทั้งยังเป็นการรักษาสิ่งแวดล้อมอีกด้วย ดังนั้นเพื่อให้แบตเตอรี่เก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน จึงจำเป็นต้องหาวัสดุและปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีชนิดใหม่ ลิเทียมเป็นโลหะที่เบาที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมดและมีค่าศักย์ไฟฟ้ามาตรฐานสูง ทำให้การวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดใหม่นิยมใช้โลหะลิเทียมเป็นส่วนประกอบที่ขั้วแอโนด (ขั้วที่จ่ายอิเล็กตรอน) เป็นหลัก และใช้วัสดุที่มีความสามารถในการรับอิเล็กตรอนได้ดี เช่น ออกซิเจน (O) หรือซัลเฟอร์ (S) เป็นส่วนประกอบขั้วแคโทด (ขั้วที่รับอิเล็กตรอน)
แบตเตอรี่ชนิดลิเทียม-ซัลเฟอร์ (Li-S battery) เป็นแบตเตอรี่ชนิดทุติยภูมิที่ให้ความจุไฟฟ้าทางทฤษฏีเมื่อเทียบต่อน้ำหนัก (Theoretical capacity) สูงถึง 1672 mAh/g ซึ่งมีค่าสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (155 mAh/g) ที่มีการใช้งานกันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน แม้ได้มีการศึกษาแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ มาตั้งแต่ ค.ศ. 1960 แต่เริ่มพัฒนาอย่างจริงจังเมื่อไม่นานมานี้ ข้อเสียหลักของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียม-ซัลเฟอร์ คือการเกิดปฏิกิริยารีดักชั่นระหว่างซัลเฟอร์ (S8) และลิเทียมได้ผลิตภัณฑ์เป็นลิเทียมโพลิซัลไฟด์ (Li2Sn)2 และปฏิกิริยาการตกตะกอนของลิเทียมซัลไฟด์ (Li2S) การเพิ่มขึ้นของปริมาตรของขั้วแคโทด เนื่องจากระหว่างการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ เกิดการสะสมของผลิตภัณฑ์ของแข็งที่เกิดขึ้น (Li2S2 หรือ Li2S) ทำให้รูปร่างและโครงสร้างของขั้วแคโทดเกิดการเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง และค่าความจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงทุกครั้งในการคายประจุครั้งต่อไป เรียกปรากฏการณ์ที่ว่า Shuttlering Effect
โครงงานฉบับนี้จึงมุ่งเน้นการพัฒนาถ่านกัมมันต์ (activated carbon, AC) จากผลิตภัณฑ์ธรรมชาติโดยใช้กระบวนการทางรังสีที่เป็นกระบวนการสะอาด ไม่ใช้สารเคมีรุนแรงและความร้อนสูง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของลิเทียมซัลเฟอร์แบตเตอรี่ให้มีค่าการเก็บประจุไฟฟ้ามากขึ้น โดยลดปริมาณการหลุด ละลาย และตกตะกอนของสารประกอบ Li2S โดยพัฒนาถ่านกัมมันต์ที่มีพื้นที่ผิว รูพรุนที่มากและมีหมู่ฟังก์ชั่นที่เหมาะกับการเกาะติดของสารประกอบ Li2S โดยถ่านกัมมันต์จะถูกสกัดมาจากข้าวเหนียวที่ผ่านการปรับปรุงคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีโดยการฉายรังสีแกมมาเพื่อเพิ่มความแข็งแรงพันธะระหว่างซัลเฟอร์และพื้นผิว นอกจากพิจารณาค่าการเก็บประจุไฟฟ้าแล้ว จะต้องพิจารณาความเสถียรและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ด้วย
ทั้งนี้โครงงานฉบับนี้ยังได้ทดสอบคุณภาพและองค์ประกอบทางเคมีที่เหมาะสมของถ่านกัมมันต์ด้วยกระบวนการทางวิทยาศาสตร์ได้แก่ BET, SEM-TEM, XRD, XPS, และ IR Raman เพื่อตรวจสอบปริมาณพื้นที่ผิว การกระจายตัวของรูพรุน สมบัติทางกายภาพและทางเคมีของถ่านกัมมันต์ ซึ่งผลของการตรวจสอบพบว่าลักษณะของถ่านกัมมันต์ ที่ถูกฉายรังสีที่ความเข้ม 25 kGy มีไฮบริดไดเซชั่นแบบสามเหลี่ยมแบนราบ (sp2-Hybridization) เพิ่มมากขึ้นอย่างเห็นได้ชัดซึ่งจะช่วยทำให้อิเล็คตรอนไหลได้ดีมากขึ้น เป็นการเพิ่มการความสามารถการนำไฟฟ้าและมีรูพรุนขนาดกลาง (mesopore) มากขึ้น รวมถึงมีองค์ประกอบทางเคมีที่เปลี่ยนแปลงไปของพันธะ ทำให้เพิ่มความสามารถในการดูดจับซัลเฟอร์ที่พื้นผิว และยังถูกทดสอบโดยการนำถ่านกัมมันต์ ไปประกอบแบตเตอรี่จริงเพื่อดูอัตราการลดลงของปริมาณไฟฟ้าของแบตเตอรี่ใน 1 รอบการใช้งาน ทดสอบเสถียรภาพและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ด้วยเครื่องทดสอบแบตเตอรี่ นอกจากนั้นยังมีนำแบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ไปใช้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าจริง เช่น แบตสำรองโทรศัพท์ ถ่านไฟฉาย และรถยนต์ไฟฟ้า