การศึกษาพฤติกรรมของวัสดุสำหรับทำขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนด้วยเทคนิคอิน-ซิตู เอกซเรย์

17 เมษายน 2558

 

          แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเพื่อเป็นตัวเก็บพลังงานไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์พกพาต่างๆ เช่น โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก และอุปกรณ์ทางการแพทย์เคลื่อนที่ รวมไปถึงในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า เพราะแบตเตอรี่ชนิดนี้มีความสามารถในการเก็บพลังงานไฟฟ้าต่อปริมาตรและน้ำหนักสูงกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นหลายเท่าตัว ทำให้อุปกรณ์พกพามีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา พกพาสะดวก รวมถึงมีระยะเวลาใช้งานก่อนจะประจุไฟใหม่ยาวนานขึ้นมาก

 

 

รูปที่ 1 แสดงส่วนประกอบของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน ซึ่งประกอบด้วย ขั้วไฟฟ้า (cathode และ anode) แผ่นกั้นขั้ว (separator) อิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) และตัวนำกระแส (current collector) [1].

 

          ความสามารถในการเก็บพลังงานไฟฟ้า อายุการใช้งาน และความปลอดภัยของแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน ขึ้นอยู่กับโครงสร้างและสมบัติของวัสดุต่างๆที่ใช้เป็นส่วนประกอบของแบตเตอรี่ โดยเฉพาะขั้วไฟฟ้า ดังนั้นการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดนี้ จึงจำเป็นต้องเข้าใจพฤติกรรมของวัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าขณะที่เราใช้งาน เพื่อที่จะสามารถ สังเคราะห์ ผลิต และพัฒนาวัสดุที่มีอยู่ หรือออกแบบวิจัย และพัฒนาวัสดุชนิดใหม่ เพื่อใช้เป็นขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงต่อไป

 

          ห้องปฏิบัติการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน (Li-ion Battery Research Laboratory at KKU) คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ได้ทำการศึกษาพฤติกรรมเฟสขณะใช้งานของวัสดุสำหรับทำขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนแบตเตอรี่ โดยใช้เทคนิค อิน ซิตู การดูดกลืนรังสีเอกซ์ (In-situ X-ray absorption spectroscopy) และ อิน ซิตู การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (In-situ X-ray diffraction) เพื่อศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์และโครงสร้างผลึกของวัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าหลายชนิด เช่น Li2MSiO4, LiMPO4, LiMO2, Li2MnO3.LiMO2 composite โดยที่ M = Fe, Mn, Co, Ni เป็นต้น โดยสามารถใช้เทคนิคนี้เพื่ออธิบายกลไกการเปลี่ยนแปลงเฟสของวัสดุแต่ละชนิด และสามารถอธิบายที่มาของการมีความสามารถในการกักเก็บประจุไฟฟ้าที่ดีกว่าของสารประกอบบางชนิด ซึ่งมีความสามารถสูงกว่าวัสดุชนิดที่ใช้อยู่ในท้องตลาด ราว 2 เท่าตัวได้

 

 

รูปที่ 2 แสดงภาพการศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึกด้วยเทคนิค In-situ XRD และแสดงเซลล์แบตเตอรี่ที่ใช้ทดสอบ

 

 

 

รูปที่ 3 แสดงภาพเซลล์แบตเตอรี่ที่ใช้ศึกษาด้วยเทคนิค In-situ XAS

 

 

 

รูปที่ 4 แสดงตัวอย่างผลการศึกษาการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์จากการศึกษาด้วยเทคนิค In situ XAS ของวัสดุ Li2FeSiO4 ซึ่งแสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงสถานะออกซิเดชันจาก Fe2+ ไปเป็น Fe4+ [2].

 

 

 

 

รูปที่ 5 ทีมวิจัย ณ ห้องปฏิบัติการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน

 

เอกสารอ้างอิง

  1. Meethong, N., “Nano-materials for Lithium-ion batteries.” (in Thai), Journal of the National Metal and Materials Technology Center of Thailand, 2010, 60, 20-28.
  2. Kamon-in, O., Buakeaw, S., Klaisuban, W., Limphirat, W.,Srilomsak, S., and Meethong, N., “A Study of Transient Phase Transformation in LFS/C using in-situ Time Resolved X-ray Absorption Spectroscopy.” Int. J. Electrochem Sci., 2014, 9:4257 – 4267.

 

รายงานโดย

รองศาสตราจารย์ ดร. วิทยา  อมรกิจบำรุง

ห้องปฏิบัติการวิจัยฟิสิกส์ของแข็ง ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น จ. ขอนแก่น 40002

โทรสาร : 043 203359

E-mail : vittaya@kku.ac.th