For English-version news, please visit : Graphene-based fiber-shaped zinc-ion batteries designed for wearable devices

หนึ่งในสินค้าที่คอ IT ทั่วโลกต่างจับตาการเปิดตัวผลิตภัณฑ์ใหม่อยู่เสมอ คือ wearable devices หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดสวมใส่ไว้กับร่างกาย เช่น สายรัดข้อมือ แถบป้ายอิเล็กทรอนิกส์ หรือ smart watch  นาฬิกาที่มีฟังก์ชันการทำงานมากกว่าการดูเวลา เพราะเพียงสัมผัสที่หน้าจอก็โทรออก รับสาย ฟังเพลง ดูข้อมูลแจ้งเตือนจากแอปพลิเคชันต่าง ๆ ที่ใช้งานผ่านสมาร์ตโฟนได้แล้ว นอกจากนี้ยังมีฟังก์ชันหลักด้านการดูแลสุขภาพของผู้สวมใส่อย่างการตรวจจับอัตราการเต้นของหัวใจ การนับก้าวเดิน ระยะทางการวิ่ง หรือกระทั่งการแจ้งเตือนให้ดื่มน้ำอีกด้วย อย่างไรก็ตามรู้หรือไม่ว่าผู้พัฒนาอุปกรณ์เทคโนโลยีประเภทนี้ยังต้องเผชิญกับข้อจำกัดในการออกแบบค่อนข้างมาก เพราะแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลายยังไม่สามารถบิดงอ ฉีกขาด หรือสัมผัสกับความร้อนสูงได้ เพราะอาจทำให้เกิดอุบัติเหตุไฟลุกหรือระเบิด สาเหตุจากส่วนประกอบภายในแบตเตอรี่สัมผัสกับความชื้นภายนอกดังที่ปรากฏให้เห็นในข่าวอยู่เป็นระยะ

         สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) โดยศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) ร่วมกับ North Carolina State University พัฒนากระบวนการผลิต ‘แบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล (cable-shaped Zn-ion batteries)’ เพื่อการใช้งานใน wearable devices จุดเด่น คือ บิดงอได้ ทนความร้อนสูง และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ดร.นครินทร์ ทรัพย์เจริญดี นักวิจัยทีมวิจัยนวัตกรรมเส้นใยนาโน นาโนเทค สวทช. เกริ่นถึงจุดเริ่มต้นในการทำวิจัยว่า หลังจากทำงานเป็นผู้ช่วยวิจัยในทีมนวัตกรรมเส้นใยนาโนที่ สวทช. ได้มีโอกาสไปศึกษาต่อที่ Wilson College of Textiles, North Carolina State University, USA ในระดับปริญญาเอกด้าน biomedical engineering โดยได้รับทุนรัฐบาลจากกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (ปัจจุบัน คือ กระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม) และได้ร่วมทำวิจัยในด้านอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน จึงก่อเกิดเป็นความสนใจในการบูรณาการความเชี่ยวชาญทั้ง 2 ด้าน เพื่อสร้างสรรค์นวัตกรรมอุปกรณ์กักเก็บพลังงานในรูปแบบเส้นใย เพื่อลดข้อจำกัดของแบตเตอรี่ที่ใช้งานกันอยู่ทั่วไป ภายใต้การสนับสนุนจาก North Carolina State University, ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สวทช. และศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (เอ็นเทค) สวทช.

จากจุดเริ่มต้นความสนใจในครั้งนั้น ดร.นครินทร์ได้เริ่มต้นพัฒนากระบวนการผลิตขั้วไฟฟ้าจากเส้นใยกราฟีนเพื่อใช้เป็นขั้วสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล (graphene based fiber electrode fabrication for cable/ fiber-shaped Zn-ion batteries) ร่วมกับทีมวิจัยตั้งแต่ศึกษาอยู่ที่สหรัฐอเมริกาในช่วงปี ค.ศ. 2019-2022 และปัจจุบันสามารถพัฒนาจนประสบความสำเร็จในระดับห้องวิจัยเรียบร้อยแล้ว

ดร.นครินทร์ เล่าถึงผลงานว่า ส่วนประกอบหลักของแบตเตอรี่ที่พัฒนาขึ้น คือ ขั้วไฟฟ้าในรูปแบบเส้นใยกราฟีน (graphene fiber) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีประสิทธิภาพในการนำไฟฟ้าสูง วัสดุกักเก็บประจุใช้เป็นแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO₂) และในส่วนของสารอิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) ใช้เป็นสารละลายเกลือของสังกะสีที่มีน้ำเป็นตัวทำละลาย เพื่อให้แบตเตอรี่มีความปลอดภัยในการใช้งานสูง แตกต่างจากแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอไออนทั่วไปที่ใช้ตัวทำละลายอินทรีย์ซึ่งไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิเป็นสารอิเล็กโทรไลต์ โดยวัสดุทั้งหมดที่เลือกใช้ในการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลค่อนข้างมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีต้นทุนด้านวัสดุไม่สูง

“ความจุของแบตเตอรี่ที่ทีมพัฒนาได้ในปัจจุบัน คือ 230 mAh/g หรือเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนแบบเหรียญ ซึ่งเพียงพอกับการใช้งานในผลิตภัณฑ์ wearable devices และด้วยผลิตภัณฑ์มีลักษณะเป็นสายเคเบิลขนาดเล็กที่มีความยืดหยุ่นสูง จึงเอื้อให้ผู้พัฒนาผลิตภัณฑ์สามารถสร้างสรรค์ผลงานภายใต้ข้อจำกัดด้านขนาดและรูปทรงของอุปกรณ์ได้เป็นอย่างดี”

จากจุดเด่นสำคัญ 2 ประการ คือ ‘ยืดหยุ่น’ และ ‘ปลอดภัย’ ทำให้ผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลนำไปใช้งานในผลิตภัณฑ์ได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นนาฬิกา สายรัดข้อมือ แถบป้ายอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ประเภทเซนเซอร์หรืออุปกรณ์ IoT (Internet of Things) ที่มีขนาดเล็ก เช่น เซนเซอร์ตรวจนับจำนวนก้าวสำหรับติดที่รองเท้าออกกำลังกาย อุปกรณ์ระบุตำแหน่งสิ่งของ (tracker) อุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ผู้ป่วยจำเป็นต้องติดไว้ตามร่างกาย หรือการใช้งานกับอุปกรณ์ที่ต้องสัมผัสกับความร้อนสูง เช่น แบตเตอรี่กักเก็บพลังงานไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์ชนิดพกพา

ดร.นครินทร์ เล่าทิ้งท้ายว่า ณ ตอนนี้ความพร้อมของเทคโนโลยีอยู่ในระดับ TRL4 หรือผลิตในระดับห้องทดลองได้แล้ว คาดว่าจะผลักดันสู่ระดับพาณิชย์ได้ในช่วง 6-7 ปีข้างหน้า ซึ่งเป็นระยะเวลาของการพัฒนาเทคโนโลยีโดยทั่วไป ปัจจุบันทีมวิจัยกำลังหาความร่วมมือจากบริษัทเอกชนผู้เชี่ยวชาญด้านการพัฒนาผลิตภัณฑ์ประเภทสายไฟ เพื่อร่วมกันวิจัยและพัฒนาบรรจุภัณฑ์ของแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลให้ตอบโจทย์การใช้งานที่หลากหลายยิ่งขึ้น โดยคาดว่าเมื่อขับเคลื่อนผลิตภัณฑ์สู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรมได้แล้ว ผลิตภัณฑ์นี้จะเป็นหนึ่งในตัวเลือกสำคัญของผู้พัฒนา wearable devices ที่มองหาแบตเตอรี่ชนิดมีความปลอดภัยในการใช้งานสูง มีความยืดหยุ่น เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และมีต้นทุนด้านวัสดุในการผลิตต่ำได้เป็นอย่างดี

“ปัจจุบันผลงานวิจัยได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติแล้ว 2 ฉบับ คือ Advanced Fiber Materials และ ACS Applied Materials and Interfaces รวมทั้งได้รับอนุสิทธิบัตรสำหรับกรรมวิธีเตรียมขั้วแคโทดที่ประกอบด้วยเส้นใยรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์และแกมมา-แมงกานีสไดออกไซด์ (Graphene-Based Fiber Shaped Zinc-Ion Batteries and Graphene-Based Fiber Cathode Fabrication Process Thereof) เรียบร้อยแล้ว”

การวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้อย่างยืดหยุ่น ปลอดภัย และมีความเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เป็นหนึ่งในหัวข้อการวิจัยที่หลายประเทศทั่วโลกต่างให้ความสำคัญ เพราะจะช่วยเพิ่มลู่ทางในการออกแบบสินค้าเทคโนโลยีประเภทต่าง ๆ สร้างความเชื่อมั่นในผลิตภัณฑ์แก่ผู้บริโภค อีกทั้งยังลดผลกระทบจากข้อกีดกันทางการค้าในการส่งออกไปจำหน่ายยังต่างประเทศ นอกจากนี้หากประเทศไทยสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ประเภทนี้ได้เอง จะช่วยเพิ่มความมั่นคงให้แก่อุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ภายในประเทศได้เป็นอย่างดีอีกด้วย

สำหรับผู้ที่สนใจร่วมวิจัยและพัฒนาต่อยอดเทคโนโลยี ติดต่อได้ที่ ดร.นครินทร์ ทรัพย์เจริญดี นักวิจัย นาโนเทค สวทช. อีเมล nakarin@nanotec.or.th

เรียบเรียงโดย ภัทรา สัปปินันทน์ ฝ่ายสร้างสรรค์สื่อและผลิตภัณฑ์ สวทช.
อาร์ตเวิร์คโดย ภัทรา สัปปินันทน์
ภาพประกอบโดย ภัทรา สัปปินันทน์ และนาโนเทค สวทช.