ดร. นครินท์กล่าวว่า โครงการพัฒนาขั้วไฟฟ้าจากเส้นใยกราฟีนเพื่อแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล (graphene-based fiber electrode fabrication for cable/fiber-shaped Zn-ion batteries) เป็นการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานทางเลือกเพื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่ (wearable energy-storage systems) เพื่อเพิ่มทางเลือกนอกเหนือจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Li-ion battery) ที่ปัจจุบันถือส่วนแบ่งตลาดมากที่สุด
การเปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนให้มาอยู่ในรูปแบบของระบบกักเก็บพลังงานแบบสวมใส่จะมีความท้าทายมากในเรื่องของการป้องกันการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ที่ไวไฟ รวมไปถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของแบตเตอรี่และข้อจำกัดในเรื่องวัตถุดิบ ดังนั้นแล้ว ระบบกักเก็บพลังงานทางเลือกอื่นจึงเป็นที่สนใจ
นักวิจัยนาโนเทคมุ่งไปที่แบตเตอรี่สังกะสีไอออน (Zn-ion battery) ซึ่งเป็นหนึ่งในระบบกักเก็บพลังงานที่ปลอดภัย เหมาะสมกับการใช้เป็นระบบกักเก็บพลังงานเพื่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่เนื่องจากใช้น้ำเป็นอิเล็กโทรไลต์ ไม่ไวไฟ ลดความเสี่ยงการระเบิด และสามารถประกอบได้ในสภาวะแวดล้อมปกติ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ต้องประกอบในตู้ทดลองแบบสวมถุงมือสำหรับห้องปฏิบัติการ
“อย่างไรก็ตาม ความท้าทายเชิงเทคนิคหลักในปัจจุบันที่ยังเป็นปัญหาต่อการใช้งานแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลคือ ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมีและบรรจุภัณฑ์ที่ยังไม่เหมาะสมของแบตเตอรี่สังกะสีไอออนต่อการประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่” ดร. นครินทร์กล่าว
ทีมวิจัยจึงพัฒนากระบวนการ “การขึ้นรูปเส้นใยแคโทดสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล” โดยใช้วิธีที่ง่ายและมีต้นทุนในการผลิตต่ำ โดยเส้นใยแคโทดจะมีองค์ประกอบหลักคือ กราฟีนที่เป็นโครงสร้างหลักของเส้นใยที่มีหน้าที่ในการนำไฟฟ้า และแมงกานีสไดออกไซด์ที่เป็นอนุภาคสำหรับกักเก็บประจุสังกะสีไอออน ซึ่งหลังจากการผ่านประบวนการผลิตเส้นใยดังกล่าวทางกายภาพและเคมี เส้นใยแคโทดจะถูกนำมาวิเคราะห์ก่อนที่จะถูกนำไปประกอบเป็นแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล โดยหลังจากได้แบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลแล้วจึงนำแบตเตอรี่ดังกล่าวไปวิเคราะห์ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าเคมี และนำไปประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่
“ปัจจุบัน ทีมพัฒนาออกมาเป็นต้นแบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล โดยมีความจุของแบตเตอรี่อยู่ที่ 230 mAh/g ซึ่งสามารถเทียบได้กับแบตเตอรี่ลิเทียมแบบเหรียญ ที่เรารู้จักกันในชื่อ ถ่านกระดุม หรือแบตเตอรี่แบบแผ่น แน่นอนว่า ความจุของแบตเตอรี่สังกะสีไอออนมีไม่มากเท่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แต่ก็เพียงพอกับการให้พลังงานสำหรับอุปกรณ์ขนาดเล็กหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบสวมใส่” นักวิจัยนาโนเทคชี้
ดร. วรล อินทะสันตา ผู้อำนวยการกลุ่มวิจัยวัสดุผสมและการเคลือบผสมกล่าวว่า 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, ติดตามข้อมูลสุขภาพและอื่น ๆนั้น เติบโตอย่างมาก
ที่สำคัญ อุปกรณ์สวมใส่ไฮเทคที่ Gartner Inc. ให้ความสนใจและเพิ่มเข้ามาเป็นอีก 1 หมวดคือ แผ่นแปะอัจฉริยะหรือสมาร์ทแพทช์ (Smart patches) เซนเซอร์ตรวจเช็กสุขภาพที่ใช้ติดบนผิวหนังเพื่อตรวจวัดอุณหภูมิ, อัตราการเต้นของหัวใจ, น้ำตาลในเลือดและข้อมูลสุขภาพที่สำคัญอื่น ๆ ซึ่งให้ข้อมูลได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเทคโนโลยีอุปกรณ์สวมใส่อื่น ๆ อีกทั้งยังใช้สำหรับการกำหนดการจ่ายยาจากระยะไกลได้อีกด้วย เช่น การให้อินซูลินแก่ผู้ป่วยเบาหวาน ที่มีแนวโน้มจะมีตลาดจะมีความต้องการ และการเติบโตสูง
นักวิจัยนาโนเทค มองว่า ความต้องการของตลาด ในกลุ่มอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีขั้นสูง ต้องการระบบกักเก็บพลังงานทางเลือกที่มีความยืดหยุ่น ปลอดภัย และสามารถปรับใช้กับการเคลื่อนไหวของมนุษย์ได้เป็นอย่างดี จะเป็นโอกาสสำหรับแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิลที่จะถูกพัฒนาต่อยอดเพื่อสามารถทำให้เกิดการใช้งานจริงในอนาคตได้
โครงการพัฒนาขั้วไฟฟ้าจากเส้นใยกราฟีนเพื่อแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแบบเคเบิล (graphene-based fiber electrode fabrication for cable/fiber-shaped Zn-ion batteries) เป็นผลงานจากความร่วมมือระหว่างศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (NANOTEC) กับ Wilson College of Textiles, North Carolina State University, USA และศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (ENTEC) ภายใต้ทุนรัฐบาลกระทรวงวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตามความต้องการของศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ ในสาขาวิชา Biomedical Engineering ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Advanced Fiber Materials และวารสาร ACS Applied Materials and Interfaces พร้อมได้รับอนุสิทธิบัตรประเทศไทยสำหรับกรรมวิธีเตรียมขั้วแคโทดที่ประกอบด้วยเส้นใยรีดิวซ์กราฟีนออกไซด์และแกมมา-แมงกานีสไดออกไซด์ (Graphene-based Fiber Shaped Zinc-Ion Batteries and Graphene-based Fiber Cathode Fabrication Process Thereof)