ทีมนักวิจัยจาก National University of Singapore (NUS) ได้พัฒนาแบตเตอรี่ที่มีรูปร่างหน้าตาเหมือนแผ่นกระดาษเปื้อนหมึก ซึ่งมีความพิเศษตรงที่มันสามารถชาร์จไฟให้ตัวเองได้โดยอาศัยความชื้นจากอากาศ มันถูกทำขึ้นมาจากแผ่นวัสดุเส้นใยหนา 0.3 มิลลิเมตร, เกลือทะเล, หมึกคาร์บอน และไฮโดรเจลแบบพิเศษที่มีคุณสมบัติดูดซับความชื้น

เทคนิคการผลิตไฟฟ้าได้เองโดยอาศัยความชื้นนี้มีชื่อเรียกโดยทั่วไปว่า MEG (moisture-driven electricity generation) และแบตเตอรี่ของทีมวิจัยนี้ก็เป็นอุปกรณ์ MEG อย่างหนึ่งเช่นกัน ซึ่งปัจจุบันนี้มีความพยายามพัฒนาอุปกรณ์ MEG ขึ้นใช้ประโยชน์ในหลายด้าน เช่น อุปกรณ์สวมใส่เพื่อตรวจวัดระดับสุขภาพ, เซ็นเซอร์แบบติดผิวหนัง รวมทั้งอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูล

ความยากในการพัฒนา MEG ในปัจจุบันมีทั้งเรื่องการอิ่มตัวของอุปกรณ์เมื่อได้รับความชื้นหลังการใช้งานไประยะเวลาหนึ่ง รวมทั้งคุณภาพของพลังงานไฟฟ้าที่ได้ซึ่งหากน้อยเกินไปก็ไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานจริงเพื่อประโยชน์ข้างต้น แต่ผลงานของทีมวิจัยจาก NUS นี้ดูจะสามารถก้าวข้ามอุปสรรคนี้มาได้ เมื่อแบตเตอรี่แบบแผ่นของพวกเขาสามารถจ่ายไฟด้วยแรงดันคงที่ได้นานหลายร้อยชั่วโมง

แบตเตอรี่แบบแผ่นที่สามารถชาร์จไฟได้เองด้วยความชื้นในอากาศ

ในงานวิจัยนี้ทีมนักวิจัยได้ใช้แผ่นวัสดุเส้นใยที่มีจำหน่ายอยู่แล้วในท้องตลาดมาเป็นวัสดุตั้งต้นในการสร้างแบตเตอรี่ พวกเขาใช้แผ่นวัสดุที่สร้างจากเยื่อกระดาษและโพลีเอสเตอร์ นำมาจุ่มในหมึกคาร์บอนเพื่อให้อนุภาคคาร์บอนเคลือบทับผิวของแผ่นวัสดุ จากนั้นนำไปอบไล่ความชื้นก่อนจะใช้ไฮโดรเจลสูตรพิเศษที่มีส่วนผสมของเกลือทะเลหยดลงไปที่ปลายด้านหนึ่งของแผ่นวัสดุ โดยไฮโดรเจลที่ว่านี้มีคุณสมบัติพิเศษสามารถดูดซับน้ำได้มากกว่าน้ำหนักของตัวมันเองถึง 6 เท่า

กลไกการทำงานของแบตเตอรี่แบบนี้ (หรือที่เรียกให้ถูกต้องก็คือเซลล์ไฟฟ้า) เริ่มจากการไอออนของเกลือทะเลถูกแยกออกมาในระหว่างที่องค์ประกอบส่วนที่เป็นน้ำถูกดูดซึมเข้าสู่แผ่นแบตเตอรี่ส่วนที่เปียกไฮโดรเจล ไอออนอิสระที่เกิดขึ้นนี้มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก (cation) จะถูกดูดโดยอนุภาคคาร์บอนที่หุ้มผิวแผ่นวัสดุซึ่งมีประจุไฟฟ้าเป็นลบอยู่ก่อนแล้ว กลไกนี้ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าบนพื้นผิวของแผ่นวัสดุซึ่งทำให้สามารถกักเก็บประจุไฟฟ้าเพื่อการปลดปล่อยออกมาในภายหลัง

เมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการทั้งหมดแล้วแผ่นแบตเตอรี่ที่ได้สามารถจ่ายไฟด้วยแรงดันไฟประมาณ 0.7 โวลต์ และเช่นเดียวกับแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ เมื่อนำมันมาต่ออนุกรมกันก็สามารถจ่ายไฟด้วยแรงดันที่สูงขึ้นได้

การทดสอบวัดค่าแรงดันไฟฟ้าที่ได้จากแบตเตอรี่ของทีมวิจัยได้แรงดันประมาณ 0.7 โวลต์

ทีมวิจัยได้สาธิตตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานแบตเตอรี่แบบแผ่นที่พวกเขาพัฒนาขึ้นโดยการสร้างภาชนะที่มีขนาดและรูปทรงเหมือนถ่านไฟฉายขนาด AA เพื่อบรรจุแผ่นแบตเตอรี่ที่ต่ออนุกรมซ้อนกัน 3 ชั้นไว้ภายในซึ่งจะสร้างแรงดันไฟฟ้าได้ประมาณ 1.5-1.9 โวลต์ ซึ่งก็สามารถนำมาใช้ให้พลังงานแก่นาฬิกาปลุกได้เหมือนถ่านไฟฉายทั่วไป โดยมันสามารถใช้งานได้นานหลายสัปดาห์

การทดสอบใช้แบตเตอรี่ที่พัฒนาขึ้นด้วยการออกแบบรูปร่างเหมือนถ่านไฟฉายเพื่อใช้งานกับนาฬิกาปลุก

ทีมนักวิจัยเชื่อมั่นใจว่าผลงานนี้สามารถพัฒนาไปใช้ได้จริงในเชิงพาณิชย์ เนื่องจากประสิทธิภาพการจ่ายไฟทั้งในแง่ระยะเวลาและคุณภาพของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้จริง อีกทั้งยังมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำจากการใช้วัตถุดิบที่ราคาไม่แพงอย่างเกลือทะเลและแผ่นวัสดุเส้นใยซึ่งมีราคาแค่ตารางเมตรละ 0.15 เหรียญ (ประมาณ 5.40 บาท)

สามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มจากเอกสารงานวิจัยได้ที่นี่

ที่มา – NUS ผ่าน Interesting Engineering