12 พฤษภาคม 2560 | 11:27 น.
แปลและเรียบเรียงโดย มาริสา คุณธนวงศ์ ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.)
ลองจินตนาการดูสิ ถ้าของขวัญที่คุณได้รับห่อด้วยกระดาษที่มีไฟอักษรประดับเป็นคำอวยพร “สุขสันต์วันเกิด” หรือ “สุขสันต์วันหยุด” กระดาษแผ่นนั้นคงทำให้คุณตื่นตาตื่นใจจนคุณต้องระมัดระวังในการเปิดห่อของขวัญเป็นแน่ ที่สำคัญคุณคงไม่พลาดที่จะเก็บกระดาษเก๋ๆ แผ่นนั้นเอาไว้ใช่มั้ยล่ะ!? ความแปลกใหม่ของกระดาษห่อของขวัญที่กล่าวมานั้นอาจเป็นจริงได้ในอีกไม่นานด้วยนวัตกรรมแบตเตอรี่กระดาษที่เป็นฝีมือของนักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยอุปซอลา (Uppsala University) ประเทศสวีเดน นำทีมโดย Albert Mihranyan นวัตกรรมชิ้นนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารรายเดือน Nano Letters เมื่อหลายปีที่ผ่านมา
อัลเบิร์ตและทีมวิจัยต้องการพัฒนาแบตเตอรี่ให้มีน้ำหนักเบา ยืดหยุ่นได้ เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ราคาไม่แพง และไม่มีส่วนประกอบที่เป็นโลหะ ด้วยสมบัติที่กล่าวมานั้นทำให้พวกเขาคิดว่าพอลิเมอร์ที่สามารถนำไฟฟ้าได้ (conductive polymers / polymer electronics) เป็นวัสดุที่น่าสนใจมากที่สุด และหนึ่งในนั้นก็คือ พอลิไพโรล (polypyrrole / PPy) แม้ว่าวัสดุชนิดนี้จะถูกมองว่าเป็นวัสดุที่ไร้ประสิทธิภาพมากเกินกว่าที่จะนำมาใช้เป็นแบตเตอรี่เพื่อการค้าก็ตาม แต่สำหรับพวกเขามันไม่ใช่ปัญหา เพราะทีมวิจัยรู้ดีว่า ทั้งความจุของประจุ (charging capacity) และอัตราการอัด – คายประจุของแบตเตอรี่นั้น สามารถปรับให้ดีขึ้นได้โดยการใช้สารตั้งต้นที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และเคลือบด้วยพอลิไพโรลที่มีความหนาพอเหมาะ
นวัตกรรมชิ้นนี้มีการออกแบบง่ายๆ ไม่ซับซ้อน ตั้งแต่ขั้วไฟฟ้าที่ประกอบด้วยกระดาษคอมโพสิตที่เหมือนกันสองชิ้น และคั่นตรงกลางด้วยกระดาษกรองที่ชุ่มไปด้วยโซเดียมคลอไรด์ซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเล็กโตรไลต์ (ดังรูป)
สำหรับสารตั้งต้นที่ทีมวิจัยเลือกใช้ก็คือเซลลูโลส เพราะเซลลูโลสเป็นสารที่หาได้ง่ายในธรรมชาติ เป็นที่ยอมรับในแวดวงอุตสาหกรรม สามารถทำให้เป็นเนื้อเดียวกับพอลิไพโรลได้ และเมื่อกลายเป็นเซลลูโลสคอมโพสิตแล้ว มันก็มีน้ำหนักเบา มีความทนทาน สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีก และที่สำคัญต้นทุนในการผลิตยังต่ำอีกด้วย
อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยยังคำนึงถึงพื้นผิวที่เป็นกุญแจสำคัญที่จะทำให้แบตเตอรี่สามารถอัดหรือคายประจุได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการใช้เส้นใยเซลลูโลสที่สกัดจากสาหร่ายสีเขียวเพราะมันมีพื้นที่ผิวมากกว่าเส้นใยเซลลูโลสที่พบในกระดาษถึงร้อยเท่า
ส่วนเคล็ดลับที่อยู่เบื้องหลังประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นี้ก็คือ การเคลือบพอลิไพโรลบนเส้นใยเซลลูโลส ในแต่ละเส้นต้องเป็นการเคลือบบางในระดับนาโน (nano – thin coating) ที่บางกว่าเส้นผมถึง 50,000 เท่า และต้องมีความต่อเนื่อง สม่ำเสมอเป็นเนื้อเดียวกันด้วย (homogeneous) ทั้งนี้เมื่อนำเส้นใยที่ได้มาขึ้นรูปเป็นแผ่นกระดาษแล้วจะได้กระดาษที่มีรูพรุนภายในสูงเป็นพิเศษนั่นเอง
ข้อดีของแบตเตอรี่กระดาษนอกจากจะอัดประจุใหม่ได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ชนิดที่อัดประจุใหม่ได้ทั่วไปแล้ว มันยังมีคุณสมบัติที่เหมาะสมต่อการนำไปประยุกต์ใช้กับผลิตภัณฑ์บางชนิดที่ดัดงอได้ อย่างเช่น บนบรรจุภัณฑ์ หรือ บนเสื้อผ้า นอกจากนี้มันอาจจะทำให้อุปกรณ์เก็บพลังงานขนาดใหญ่ ต้นทุนต่ำ และมีขั้วไฟฟ้าขนาดหลายตารางหลาสามารถผลิตขึ้นได้ในอนาคตอีกด้วย บทสรุป สรุปว่านวัตกรรมชิ้นนี้มีข้อดีมากมาย ตั้งแต่ ความบางของแบตเตอรี่ สามารถทำได้บนพื้นที่ขนาดใหญ่ สามารถอัดประจุใหม่ได้ดีกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน รวมทั้งยังมีวิธีการผลิตที่ง่ายไม่ซับซ้อนอีกด้วย วัสดุน่ารู้ แบตเตอรี่ คือ 1. เซลล์ไฟฟ้าตั้งแต่ 2 เซลล์ขึ้นไปนำมาต่อรวมเข้าเป็นหน่วยเดียวกันโดยต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน 2. อุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีใช้เก็บพลังงานในรูปของสารเคมีสามารถปล่อยพลังงานออกมาในรูปของกระแสไฟฟ้า ภายในมีเซลล์ต่อกันเป็นห้องเพื่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl901852h http://www.sciencedaily.com/releases/2009/09/090923133010.htm พจนานุกรมวัสดุศาสตร์และเทคโนโลยี (MTEC Materials Science and Technology Dictionary)
