Knowledge – ENTEC https://www.entec.or.th Thu, 30 Jan 2025 07:56:45 +0000 en-US hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.8.2 https://www.entec.or.th/wp-content/uploads/2021/01/cropped-forward-logo-1-32x32.png Knowledge – ENTEC https://www.entec.or.th 32 32 รถจักรยานยนต์ไฟฟ้ารับจ้างสาธารณะ เชื่อมต่อการเดินทางสู่ระบบขนส่งมวลชนสาธารณะ https://www.entec.or.th/electric-motorcycle/ Wed, 29 Jan 2025 05:36:51 +0000 https://www.entec.or.th/?p=13869

ในปัจจุบันระบบขนส่งมวลชนสาธารณะมีการขยายการให้บริการและครอบคลุมพื้นที่ในเขตเมืองและชานเมืองมากขึ้น อีกทั้งยังอำนวยความสะดวกต่อผู้ใช้บริการในพื้นที่ อย่างไรก็ตาม ประชาชนยังต้องการเชื่อมต่อการเดินทางสู่ระบบขนส่งมวลชนสาธารณะหรือการเดินทาง First Mile / Last Mile เพื่อทดแทนการใช้ยานยนต์ส่วนบุคคลได้เต็มรูปแบบดังแสดงในรูปที่ 1 รถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะจึงเข้ามามีบทบาทในกรณีนี้

รูปที่ 1 รูปแบบการบริการของรถจักรยานยนต์ First / Last Mile

อย่างไรก็ตามรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะ หรือพี่วินมอเตอร์ไซค์รับจ้างในปัจจุบัน ยังใช้เครื่องยนต์เผาไหม้ที่ยังต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิล ประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำ ปล่อยก๊าซเรือนกระจกและก๊าซไอเสียสู่บรรยากาศ ส่งผลกระทบต่อคุณภาพอากาศและวิกฤตภาวะโลกร้อน ด้วยเหตุนี้รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าจึงเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่สามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกและมลพิษทางอากาศได้ อย่างไรก็ตาม รถจักรยานยนต์ไฟฟ้ายังมีข้อจำกัดในเรื่องของการชาร์จแบตเตอรี่ไฟฟ้าที่ต้องใช้ระยะเวลาในการชาร์จ ต้นทุนราคารถจักรยานยนต์ไฟฟ้าที่รวมแบตเตอรี่ที่มีมูลค่าสูง และภาระค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแบตเตอรี่เมื่อหมดอายุหลังการใช้งาน ดังนั้นศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (ENTEC) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) จึงต่อยอดการสนับสนุนการใช้รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าเป็นรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะ ร่วมกับเครือข่ายงานวิจัยจากภาครัฐและเอกชนนำเสนอ แพล็ตฟอร์มการสับเปลี่ยนแบตเตอรี่เพื่อผู้ขับขี่รถจักรยานยนต์ไฟฟ้ารับจ้างสาธารณะ ในวัตถุประสงค์หลักเพื่อสนับสนุนการเข้าถึงเทคโนโลยียานยนต์ไฟฟ้า ด้วยการเปลี่ยนมูลค่าการถือครองแบตเตอรี่ในต้นทุนราคารถจักรยานยนต์ไฟฟ้าเป็นการใช้บริการแพล็ตฟอร์มการสับเปลี่ยนแบตเตอรี่ ในต้นทุนค่าใช้จ่ายเทียบเท่ากับค่าน้ำมันสำหรับการใช้รถจักรยานยนต์เครื่องยนต์

จุดเด่นเทคโนโลยี / และการติดตามวัดผล
แพล็ตฟอร์มการสับเปลี่ยนแบเตอรี่มีความเหมาะสมกับการใช้รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าต่อเนื่องเพื่อการประกอบอาชีพรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะ ในประเทศไทยได้มีการให้บริการสถานีสับเปลี่ยนแบตเตอรี่แสดงดังรูปที่ 2 ซึ่งในโครงการต่อยอดมีสถานีสับเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ให้บริการครอบคลุมพื้นที่กรุงเทพและปริมณฑลกว่า 40 สถานี ดังแสดงในรูปที่ 3 

(ก)

(ข)

รูปที่ 2 สถานีสับเปลี่ยนแบตเตอรี่ (Battery swapping station) (ก) ริเริ่มโดยการไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย
(ข) ดำเนินการโดยธุรกิจสตาร์ทอัพ สวอพแอนด์โก

รูปที่ 3 แผนที่แสดงที่ตั้งของสถานีสับเปลี่ยนแบตเตอรี่จำนวนกว่า 40 สถานี

ในส่วนของแพ็คแบตเตอรี่ รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าในโครงการมีการออกแบบให้เป็นไปตามมาตรฐานแพ็คแบตเตอรี่ที่อยู่ระหว่างการพัฒนาของ ENTEC สวทช. ทั้งขนาดและน้ำหนักที่สามารถเคลื่อนย้ายและสับเปลี่ยนได้ง่าย สำหรับทุกคน ดังแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4 รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าในโครงการและแพ็คแบตเตอรี่ที่ใช้

ทั้งนี้โครงการได้คิดค้นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เฉพาะขึ้นเพื่อใช้ติดตามการใช้พลังงานของรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าภายในโครงการ มีอุปกรณ์ที่จำเป็นได้แก่ อุปกรณ์ติดตามตำแหน่งตามระบบ Global positioning system (GPS) เซนเซอร์วัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ กระแสไฟฟ้าที่จ่ายกับมอเตอร์ไฟฟ้ากำลัง และเซนเซอร์ตรวจจับการเปิดคันเร่ง ดังแสดงในรูปที่ 5

รูปที่ 5 ชุดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (Energy consumption tracking (ECT))

ผลการดำเนินโครงการ / ประโยชน์ที่ได้รับ 
ภายหลังจาก ENTEC สวทช. ได้ดำเนินโครงการสนับสนุนการใช้รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าเป็นรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะ จากการติดตามการใช้งานจริง มีผลการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกเกิดขึ้นแล้วในช่วงที่เก็บข้อมูล ได้แก่ การส่งมอบรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าจำนวน 50 คันให้กับผู้ขับขี่พี่วินรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะในเขตพื้นที่ อำเภอบางกรวย จังหวัดนนทบุรี และเขตบางพลัด กรุงเทพมหานคร มีผลการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั้งสิ้น 38.8 TonCO2,eq (ตันคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่า) ในระยะการใช้งานรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าทั้ง 50 คัน รวม 759,354 กิโลเมตร และในโครงการต่อเนื่องที่นำเสนอแพล็ตฟอร์มการสับเปลี่ยนแบตเตอรี่ ที่จำหน่ายให้กับผู้ขับขี่พี่วินรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะให้มีการใช้งานในวงกว้างภายในเขตกรุงเทพมหานคร รวมจำนวน 30 คัน โดยเฉพาะพื้นที่เป้าหมาย เขตสามย่าน แหล่งรวมสถาบันศึกษาและศูนย์กลางเศรษฐกิจของกรุงเทพมหานคร มีผลการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกในช่วงที่เก็บข้อมูลทั้งสิ้น 4.3 TonCO2,eq ในระยะการใช้งานรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าทั้งสิ้น 95,350 km  

ยิ่งไปกว่านั้น การสนับสนุนรถจักรยานยนต์ไฟฟ้ารับจ้างสาธารณะ ยังช่วยเชื่อมต่อการเดินทางสู่ระบบขนส่งมวลชนสาธารณะ ส่งเสริมให้ผู้โดยสารเปลี่ยนการเดินทางจากการใช้ยานยนต์ส่วนบุคคล สู่ระบบขนส่งมวลชนสาธารณะที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าได้ เป็นการลดภาระค่าเชื้อเพลิงและค่าบำรุงรักษาสำหรับผู้ประกอบอาชีพรถจักรยานยนต์รับจ้างสาธารณะ บรรเทาปัญหามลพิษทางอากาศจากไอเสียของการเผาไหม้ โดยเฉพาะฝุ่นละอองขนาดเล็ก PM2.5 ผลักดันสู่สังคมที่เป็นกลางทางคาร์บอน และเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน (Sustainable Development Goals, SDGs) ผลลัพธ์ของโครงการยังสอดคล้องกับเป้าหมายในการเพิ่มจำนวนรถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งเป็นกลยุทธหนึ่งของกระทรวงการอุดมศึกษา วิทยาศาสตร์ วิจัยและนวัตกรรม “MHESI for EV” และเป้าหมาย EV ระดับชาติ

]]>
แผงเซลล์แสงอาทิตย์น้ำหนักเบากึ่งส่องผ่านแสง https://www.entec.or.th/solar-entec/ Tue, 02 Aug 2022 03:12:16 +0000 http://10.228.23.44:31077/?p=7598

แผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีขายทั่วไปมีน้ำหนักมาก ทึบแสง ในการติดตั้งบนหลังคาต้องมีโครงรองรับ มีข้อจำกัดในการติดตั้งบนหลังคาบางประเภท งานวิจัยนี้จึงพัฒนาแผงน้ำหนักเบา ที่ติดตั้งง่ายสะดวกในการขนย้ายและมีการส่องผ่านแสงบางส่วนเพื่อโอกาสในการประยุกต์ใช้ในการเกษตรในรูปแบบ Agrivoltaic

จุดเด่นเทคโนโลยี
น้ำหนักเบากว่าแผงฯมาตรฐานทั่วไปประมาณ 25% (8.6 kg/m2) ขนย้ายและติดตั้งง่าย แข็งแรง มีลักษณะกึ่งส่องผ่านแสง จึงสามารถประยุกต์ใช้งานอื่นๆได้ เช่น หลังคาโรงเรือนการเกษตร

การนำไปใช้ / การถ่ายทอดเทคโนโลยี / ประโยชน์ที่ได้รับ

การอนุญาตให้ใช้สิทธิ (Licensing) “แผงเซลล์แสงอาทิตย์น้ำหนักเบาสำหรับการติดตั้งที่ง่าย” เลขที่คำขอสิทธิบัตรสิ่งประดิษฐ์ 2101005940  

การร่วมวิจัยหรือรับจ้างวิจัยเพื่อต่อยอดแผงน้ำหนักเบากึ่งโปร่งแสง

คุณสมบัติของลูกค้ากลุ่มเป้าหมาย

ผู้ประกอบการธุรกิจประกอบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ (PV module assembly), ธุรกิจติดตั้งระบบเซลล์แสงอาทิตย์ (PV installer), ธุรกิจด้านการก่อสร้างและตกแต่ง  หรือธุรกิจด้านพลังงานทดแทนที่มีความพร้อมเรื่องช่องทางจำหน่าย 

ความร่วมมือที่เสาะหา

รับการถ่ายทอดเทคโนโลยีไปผลิตแผงเพื่อจำหน่าย  หรือร่วมกันพัฒนาแผงเวอร์ชั่นใหม่

สถานภาพของผลงานวิจัย

ต้นแบบแผงเซลล์แสงอาทิตย์น้ำหนักเบามีกำลังไฟฟ้าสูงสุด 30 W (100W/m2) น้ำหนัก 2.5 Kg (8.6 kg/m2 ) ขนาด 39 cm x 77 cm ให้แสงส่องผ่านได้ 35% ติดตั้งบนหลังคาเมทัลชีทโดยไม่ใช้ชุดรางรองรับแผงเซลล์ฯ ลดต้นทุนโครงสร้างและเพิ่มความสะดวกสบายในการติดตั้ง ผ่านการทดสอบในห้องปฏิบัติการและนำไปประยุกต์ใช้งานเป็นหลังคาโรงเรือนการเกษตรเพื่อทำหน้าที่พรางแสงและผลิตไฟฟ้าสำหรับใช้ในพื้นที่เพาะปลูก ทดสอบใช้งานจริงที่ชุมชนเกษตรต่อเนื่องนานกว่า 1 ปี

ติดต่อ:
นายทวีวัฒน์ กระจ่างสังข์
ทีมวิจัย
เทคโนโลยีเซลล์แสงอาทิตย์  กลุ่มวิจัยนวัตกรรมพลังงาน ENTEC
โทรศัพท์: 0 2564 6900 ต่อ 2717 หรือเบอร์มือถือ 08 2077 6493 E-mail:  taweewat.kra@entec.or.th 

]]>
“ENcase” เครื่องผลิตน้ำยาฆ่าเชื้ออิเล็กโทรไลต์ https://www.entec.or.th/encase-enerclean/ Mon, 14 Mar 2022 07:13:46 +0000 http://10.228.23.44:31077/?p=6852

ดร.สมศักดิ์ สุภสิทธิ์มงคล และคณะ 1 ได้พัฒนาเครื่อง ENcase สำหรับผลิตน้ำยาอิเล็กโทรไลต์ ENERclean ใช้สำหรับฆ่าเชื้อ น้ำยา ENERclean ผลิตจากเกลือแกง และผ่านมาตรฐานการทดสอบผลิตภัณฑ์ฆ่าเชื้อโรคโดยมีคุณสมบัติในการฆ่าเชื้อแบคทีเรีย เชื้อรา และไวรัส จึงสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย เช่น พ่นขยะติดเชื้อ พ่นทำความสะอาดพื้นผิวทั่วไป พ่นทำความสะอาดมือ หรือแม้กระทั่งล้างเนื้อสัตว์ พืชผัก และผลไม้ได้อีกด้วย

ในช่วงที่ประเทศไทยและทั่วโลกกำลังประสบกับวิกฤตการณ์แพร่ระบาดของโรคติดเชื้อไวรัสโคโรนา 2019 (COVID-19) วัสดุอุปกรณ์สำหรับป้องกันและฆ่าเชื้อโรคขาดแคลนอย่างหนัก ทำให้ส่งผลกระทบต่อผู้คนในวงกว้าง ดร.สมศักดิ์ สุภสิทธิ์มงคล และคณะ จากศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (ENTEC) ได้นำความรู้พื้นฐานทางด้านวัสดุศาสตร์และไฟฟ้าเคมีมาประยุกต์ในการสร้างเครื่องมือผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อโรค โดยทีมวิจัยได้ทดลองเบื้องต้นภายในห้องปฏิบัติการ และพบว่าสามารถใช้งานได้จริง ประจวบกับมีหน่วยงานประกาศให้ทุน ทีมวิจัยจึงยื่นข้อเสนอโครงการเพื่อขอรับทุนดังกล่าว

แนวคิดและหัวใจสำคัญของเทคโนโลยี

ดร.สมศักดิ์ เล่าถึงแนวคิดว่า “ในช่วงแรกที่เกิดวิกฤตโควิด-19 น้ำยาฆ่าเชื้ออย่างแอลกอฮอล์ หรือสารฟอกขาวขาดตลาด ผมก็เลยเกิดแนวคิดที่จะนำความรู้เรื่องเซลล์ไฟฟ้าเคมีมาประยุกต์ใช้ โดยดัดแปลงระบบของเซลล์เชื้อเพลิง (fuel cells) 3 ให้กลายเป็นเครื่องที่ผลิตสารอื่นตามที่เราต้องการ เราทดลองเปลี่ยนตัวกลางจากเดิมที่เป็นน้ำมาเป็นสารชนิดอื่น และเมื่อใส่กระแสไฟฟ้าเข้าไปก็จะเกิดการแตกตัว แต่หัวใจสำคัญคือจะสามารถแยกสารที่เกิดจากการแตกตัวนั้นได้อย่างไร”

—————————————————————————————————————————————————————-

ทีมวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (ENTEC) ร่วมกับ ดร.ฐนียา รอยตระกูล และคณะ จากกลุ่มวิจัยชีววิทยาโมเลกุลของไวรัสเด็งกี่และฟลาวีไวรัส ดร.สิทธิรักษ์ รอยตระกูล และคุณภัททิยา ลักษณะเจริญ กลุ่มวิจัยเทคโนโลยีโปรตีโอมิกส์เชิงหน้าที่ ศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (BIOTEC)
งบประมาณสนับสนุนจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.)
3 เซลล์เชื้อเพลิง (fuel cell) เป็นอุปกรณ์ผลิตพลังงานไฟฟ้า โดยการเปลี่ยนโมเลกุลไฮโดรเจนและออกซิเจนด้วยกระบวนการเคมีไฟฟ้าให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

ภาพที่ 1 การผลิตสารละลายน้ำยาฆ่าเชื้ออิเล็กโทรไลต์ด้วยกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสและใช้เมมเบรน
ทีมวิจัยผลิตกรดไฮโปคลอรัสจากสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (sodium chloride, NaCl) ด้วยกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสและใช้เมมเบรนกั้นกลางระหว่างขั้วแคโทดและแอโนด (ภาพที่ 1) ดร.สมศักดิ์อธิบายว่า “เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าบวกและลบ โซเดียมไอออน (Na+) และไฮโดรเจนไอออน (H+) จะเคลื่อนผ่านเมมเบรนไปที่ขั้วแคโทด (ขั้วลบ) โซเดียมไอออนจะรวมตัวกับไฮดรอกไซด์ไอออน (OH) ที่แตกตัวบริเวณขั้วแคโทดกลายเป็นสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ (sodium hydroxide, NaOH) ที่มีฤทธิ์เป็นด่าง (pH 10-13, ORP เท่ากับ -800 ถึง -900 mV) (สมการที่ 2) ซึ่งมีสมบัติเป็นสารละลายน้ำรีดิวซ์ (Electrolyzed Reducing Water, ERW) ส่วนไอออนลบ (Cl, OH) จะเคลื่อนผ่านเมมเบรนไปที่ขั้วแอโนด (ขั้วบวก) เกิดก๊าซคลอรีน (Cl2) (สมการที่ 4) ซึ่งก๊าซคลอรีนบางส่วนที่ละลายในน้ำจะเกิดเป็นกรดไฮโปคลอรัส (hypochlorous acid, HOCl) ที่ pH 2-3 (สมการที่ 5) ทำให้สารละลายบริเวณนี้มีสมบัติเป็นสารละลายน้ำออกซิไดซ์ (Electrolyzed Oxidizing Water, EOW)”
“สารละลายน้ำออกซิไดซ์ที่ได้มีคลอรีนอิสระ (free chlorine) คือมีทั้ง Cl2, HOCl และไฮโปคลอไรต์ไอออน (OCl) ขึ้นอยู่กับ pH ของสารละลาย โดยที่ pH น้อยกว่า 1 คลอรีนอิสระอยู่ในรูป Cl2 ทั้งหมดและจะระเหยสู่บรรยากาศ ที่ pH 1-3.5 คลอรีนอิสระอยู่ในรูป Cl2 และ HOCl ที่ pH 3.5-5.5 คลอรีนอิสระอยู่ในรูปของ HOCl ทั้งหมด ที่ pH 5.5-9 อยู่ในรูป HOCl และ OCl และที่ pH ตั้งแต่ 9 ขึ้นไป คลอรีนอิสระอยู่ในรูปของ OCl ทั้งหมด (ภาพที่ 2)”
ภาพที่ 2 ความสัมพันธ์ระหว่าง pH และสัดส่วนปริมาณคลอรีน (Cl2, HOCl และ -OCl)

“ประเทศญี่ปุ่นใช้เทคโนโลยีไฟฟ้าเคมีทำให้เกลือแกง (NaCl) เกิดการแตกตัวในการผลิตสารฟอกขาว หรือ โซเดียมไฮโปคลอไรต์ (sodium hypochlorite, NaOCl) มานานแล้ว แต่งานวิจัยของเราต่อยอดจากเทคโนโลยีเดิม โดยมีการเพิ่มลูกเล่นบางอย่างคือ การใช้เมมเบรนเพื่อแยกสารเฉพาะทางอย่างกรดไฮโปคลอรัสออกมา”

“กรดไฮโปคลอรัสเป็นสารที่ผลิตโดยเม็ดเลือดขาวที่อยู่ภายในร่างกาย เมื่อร่างกายได้รับสิ่งแปลกปลอม (impurity) เช่น เชื้อไวรัส หรือ แบคทีเรีย เม็ดเลือดขาวก็จะผลิตสารชนิดนี้ขึ้นเพื่อมาต่อต้าน แต่ระดับที่ผลิตได้มีเพียง 10-20 ส่วนในล้านส่วน (parts per million, ppm) ซึ่งน้อยมาก ดังนั้น เพื่อที่จะผลิตสารชนิดนี้ในสภาวะภายนอกร่างกายจึงมีการพัฒนาเทคโนโลยีมาอย่างต่อเนื่อง พบว่าข้อจำกัดของเทคโนโลยีนี้อยู่ที่การแยกระหว่างกรดไฮโปคลอรัสกับไฮโปคลอไรต์ เพราะสารทั้ง 2 ชนิดนี้ไม่เสถียรสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีไปมาได้ระหว่างกันได้ (สมการที่ 7) เราจึงต้องใช้เมมเบรนมาช่วยแยก เมมเบรนที่ใช้คือ Nafion ซึ่งเป็นวัสดุชนิดฟลูออโรซัลโฟเนต (Fluoro-sulfonate polymers) เนื่องจากเมมเบรนนี้มีหลายชนิด เราต้องการชนิดที่มีความจำเพาะเจาะจง (specific) ทำหน้าที่แลกเปลี่ยนเฉพาะโปรตอน (H+) เพียงอย่างเดียว”

ภาพที่ 3 แผนภาพของระบบที่เป็นหัวใจสำคัญในการผลิตกรดไฮโปคลอรัส

อย่างไรก็ดี แม้จะสามารถหาวิธีในการแยกกรดไฮโปคลอรัสได้แล้ว ก็ยังมีปัญหาอื่นที่ต้องแก้ไข เนื่องจากการใช้ความรู้ไฟฟ้าเคมีมักมีหลายปัจจัยมาเกี่ยวข้อง เช่น ในระบบของเซลล์ไฟฟ้าจะมีค่าความต้านทาน (resistance) ทำให้ต้องใช้พลังงานค่อนข้างมากในการทำให้สารแตกตัว

ดร.สมศักดิ์ เล่าว่า  “เราแก้ปัญหานี้ด้วยการใช้แผ่นแกรไฟต์เป็นขั้วอิเล็กโทรด โดยออกแบบให้มีช่อง (channel) ให้ของเหลวไหลผ่านเพื่อเป็นการเพิ่มพื้นที่ผิวสัมผัส ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น และสารละลายทุกชนิดที่ไหลเข้าไปมีโอกาสเกิดปฏิกิริยามากขึ้น หรือการเกิดปฏิกิริยาจะมีฟองก๊าซเกิดขึ้น ซึ่งฟองก๊าซจะไปเพิ่มค่าความต้านทานของระบบ ทำให้ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นไม่คงที่ (swing) หรือผลิตภัณฑ์ที่ได้ลดลง และถ้าจ่ายไฟมากขึ้น ก็ยิ่งทำให้เกิดฟองก๊าซมากขึ้นด้วย เกิดปัญหาเรื่องการไหลในระบบตามมา แต่ถ้าเราบังคับทิศทางการไหลให้ต่อเนื่องไป ฟองก๊าซก็จะถูกขับออกตลอดเวลาซึ่งจะช่วยแก้ปัญหาได้ เราก็สามารถลดค่าพลังงานลงได้ และสามารถควบคุมผลิตภัณฑ์ให้คงที่ได้ตลอดเวลา ส่วนเรื่องของการเลือกใช้วัสดุสำหรับเป็นชิ้นส่วนต่าง ๆ ภายในเครื่อง ทีมก็จะเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมสามารถทนการกัดกร่อนของกรดและด่างได้”

เมื่อถามถึงบุคลากรของทีม ดร.สมศักดิ์กล่าวว่า  “งานวิจัยนี้มีผู้เชี่ยวชาญหลากหลายสาขา (multidisciplinary team work) โดยนักวิจัยจากศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ (ENTEC) มีผมและ ดร.ชัยยุทธ (แซ่กัง) เน้นเรื่องวัสดุศาสตร์ ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี ส่วน ดร.วิศาล (ลีลาวิวัฒน์) (ENTEC) และ ดร.ศุภกิจ (วรศิลป์ชัย) จากศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ (MTEC) เน้นเรื่องการขยายสเกลและการออกแบบกระบวนการ เพราะเราเริ่มต้นจากเซลล์ที่ใช้ในห้องปฏิบัติการ ซึ่งผลิตได้เพียง 5 ลิตรต่อชั่วโมง ดังนั้น จำเป็นจะต้องขยายสเกลการผลิตให้มากขึ้น ส่วนนักวิจัยจากศูนย์พันธุวิศวกรรมและเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (BIOTEC) มี ดร.ฐนียา (รอยตระกูล) ที่เน้นเรื่องเชื้อไวรัสและ SARS-CoV-2 ดร.สิทธิรักษ์ (รอยตระกูล) และคุณภัททิยา (ลักษณะเจริญ) เน้นที่เชื้อแบคทีเรียตัวหลักที่พบในสิ่งส่งตรวจภายในโรงพยาบาล รวมถึงดร.สุมิตรา (จรสโรจน์กุล) (ENTEC) ที่สนับสนุนและผลักดันให้เกิดการนำเครื่อง ENcase ไปใช้ประโยชน์ภายในโรงพยาบาล”

ผลิตครั้งเดียวได้ประโยชน์ถึง 2 ต่อ

ทีมวิจัยประสบความสำเร็จในการออกแบบระบบที่นอกจากจะสามารถผลิตกรดไฮโปคลอรัสซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์หลักแล้ว ยังสามารถผลิตโซดาไฟ (NaOH) ที่สามารถใช้ประโยชน์ได้อีกต่อหนึ่งด้วย

ภาพที่ 4 แผนภาพการผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อด้วยเครื่อง ENcase

การผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อด้วยเครื่อง ENcase ใช้วัตถุดิบตั้งต้นคือเกลือแกง 1 กิโลกรัมและน้ำ ซึ่งเครื่องสามารถผลิตกรดไฮโปคลอรัสและโซดาไฟได้ในปริมาณเท่ากันโดยมีอัตราการผลิตที่ 15 ลิตรต่อชั่วโมง กรดไฮโปคลอรัสที่ผลิตได้จัดเป็นหัวเชื้อ เนื่องจากมีระดับความเข้มข้นของคลอรีนทั้งหมดค่อนข้างสูงคือมากกว่า 400 ppm มีค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) 4-6 และค่า Oxidation-Reduction Potential (ORP) ในช่วง 900-1200 มิลลิโวลต์ (mV)

ดร.สมศักดิ์อธิบายว่า “ทุนที่ได้รับจากสำนักงานการวิจัยแห่งชาติ (วช.) เน้นการพัฒนาน้ำยาฆ่าเชื้อสำหรับใช้งานกับขยะติดเชื้อเป็นหลัก ซึ่งความเข้มข้นของหัวเชื้อมีความเหมาะสมกับการใช้งานในลักษณะดังกล่าว แต่หากต้องการใช้งานรูปแบบอื่นก็สามารถเจือจางหัวเชื้อให้เหมาะสมกับงานได้ เช่น ทำความสะอาดพื้นผิวต่าง ๆ หรือมือให้เจือจางด้วยน้ำในอัตรา 1:1 (ความเข้มข้น 150-250 ppm) และถ้าใช้ล้างอาหารให้เจือจางด้วยน้ำในอัตรา 1:10 (ความเข้มข้น 30-50 ppm) ส่วนโซดาไฟที่ผลิตได้พร้อมกันนั้นก็สามารถนำไปใช้ประโยชน์อีกต่อหนึ่ง โดยโรงพยาบาลจะใช้โซดาไฟที่ผลิตได้ทำความสะอาดคราบไขมันที่ตกค้างในฮู้ดดูดควันที่ใช้ในการปรุงอาหารในโรงครัวหรืออุดตันตามท่อระบายน้ำต่าง ๆ ได้ ช่วยให้โรงพยาบาลประหยัดค่าใช้จ่ายที่ใช้ในการจัดซื้อน้ำยาขจัดคราบไขมัน”

ภาพที่ 5 การใช้น้ำยา ENERclean พ่นขยะติดเชื้อ

จุดเด่นของน้ำยาฆ่าเชื้อ ENERclean

น้ำยาฆ่าเชื้อที่ใช้ทั่วไปตามโรงพยาบาลคือสารฟอกขาวหรือโซเดียมไฮโปคลอไรต์ ซึ่งเป็นสารประกอบประเภทคลอรีน แม้โซเดียมไฮโปคลอไรต์จะสามารถฆ่าเชื้อได้ แต่ก็มีข้อด้อยหลายประการ ได้แก่
     1) ค่า pH อยู่ในช่วง 10-12 ซึ่งมีความเป็นด่างค่อนข้างสูงอาจก่อให้เกิดการระคายเคืองต่อผิวหนังได้
     2) ความเข้มข้นของคลอรีน โดยทั่วไปความเข้มข้นที่สามารถฆ่าเชื้อได้ดีต้องมีค่า 1000-5000 ppm และถ้าจะใช้กับขยะติดเชื้ออาจต้องเข้มข้นสูงถึง 10000 ppm
     3) สารประกอบคลอรีนที่ใช้เป็นน้ำยาฆ่าเชื้อจะต้องมีค่า ORP สูง เพราะค่า ORP เป็นค่าศักย์ไฟฟ้า ยิ่งมีค่าสูงโอกาสที่เชื้อจะถูกดึงอิเล็กตรอนออกไปได้เร็วทำให้มีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อได้ไว ค่า ORP ที่เหมาะสมต้องมากกว่า 800 mV แต่โซเดียมไฮโปคลอไรต์ที่แม้จะมีความเข้มข้นของคลอรีนสูงถึง 1000-5000 ppm กลับมีค่า ORP ไม่เกิน 500 mV ด้วยคุณสมบัติดังกล่าวจึงทำให้กรดไฮโปคลอรัสมีประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อดีกว่าโซเดียมไฮโปคลอไรต์ประมาณ 80-100 เท่า

ดร.สมศักดิ์เปรียบเทียบให้เห็นภาพชัดเจนว่า  “สมมุติให้เชื้อโรคมีลักษณะเหมือนไข่ โซเดียมไฮโปคลอไรต์จะสามารถเข้าทำลายเพียงไข่ขาวเท่านั้น ยังไม่สามารถทะลุเข้าไปถึงไข่แดงซึ่งเป็นนิวเคลียสด้านในได้ ในขณะที่กรดไฮโปคลอรัสสามารถทะลุเข้าไปทำลายถึงไข่แดงได้ ดังนั้นการใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์ก็อาจมีโอกาสทำให้เชื้อเกิดการดื้อยาได้ง่าย”

ในเดือนกุมภาพันธ์ 2565 ทีมวิจัยได้ส่งมอบเครื่องผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อไปตามโรงพยาบาลต่าง ๆ แล้วจำนวน 10 แห่ง รวมถึงมีโอกาสได้พูดคุยกับแพทย์และผู้ที่เคยใช้งานจริงในช่วงวิกฤติโควิดที่ผ่านมา ดร.สมศักดิ์เล่าเสริมว่า “ในช่วงแรกที่โรงพยาบาลใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์ค่อนข้างมาก ทำให้ผู้ใช้งานเกิดอาการแพ้เป็นผื่นแดง และเป็นโรคทางเดินหายใจเพราะใช้น้ำยาที่มีความเข้นมากกว่า 1000 ppm ส่งผลกระทบต่อแพทย์ที่ต้องแบ่งเวลาจากผู้ป่วยโควิดมาดูแลรักษาเจ้าหน้าที่ที่ได้รับผลกระทบจากการใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์ อีกทั้งยังสูญเสียงบประมาณในการรักษาพยาบาลอีกด้วย”

หากเปรียบเทียบกรดไฮโปคลอรัสกับแอลกอฮอล์ เนื่องจากแอลกอฮอล์เป็นสารติดไฟ ดังนั้นการใช้งานจะต้องระมัดระวังเป็นพิเศษ อีกทั้งกลไกในการทำลายเชื้อของแอลกอฮอล์คือการดึงน้ำออกจากเซลล์ของเชื้อโรค (dehydrate) และยังดึงน้ำออกจากผิวหนังอีกด้วยจึงทำให้ผิวของผู้ใช้แห้งตึง ผู้ผลิตจึงแก้ปัญหาด้วยการนำเจลมาผสมแอลกอฮอล์เพื่อช่วยให้ผิวชุ่มชื้น แต่เมื่อเวลาผ่านไปแอลกอฮอล์ระเหยออกจากเจลก็จะทำให้ผลิตภัณฑ์เสื่อมประสิทธิภาพและไม่สามารถฆ่าเชื้อโรคได้ นอกจากนี้ หากมีการผสมสีในแอลกอฮอล์เพื่อความสวยงามก็อาจส่งผลต่อปริมาณของแอลกอฮอล์ในผลิตภัณฑ์ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อลดลง

ทั้งนี้ ดร.สมศักดิ์ ชี้จุดเด่นของ ENERclean ให้เห็นว่า  “น้ำยา ENERclean มีน้ำเป็นองค์ประกอบ 95% ซึ่งน้ำระเหยยากกว่าแอลกอฮอล์จึงทำให้มือไม่แห้ง อีกทั้งเชื้อโรคยังสัมผัสกับน้ำยาฆ่าเชื้อได้นาน จากการทดสอบผลิตภัณฑ์เหล่านี้พบว่าหากมีการสัมผัสผลิตภัณฑ์นานอย่างน้อย 10 นาทีก็จะทำให้เชื้อตายถึง 99.9% เลยทีเดียว”

                                                                     ภาพที่ 6 คุณสมบัติของน้ำยาฆ่าเชื้อ ENERclean

ข้อได้เปรียบของน้ำยาฆ่าเชื้อ ENERclean ที่นอกจากจะมีคุณสมบัติทั้งค่า pH ความเข้มข้นของคลอรีน และค่า ORP ที่เหมาะสมในการใช้เป็นน้ำยาฆ่าเชื้อแล้ว ยังมีราคาถูกกว่า และมีประสิทธิภาพในการยับยั้ง/ฆ่าเชื้อไวรัสไข้เลือดออก (Dengue virus, Japanese encephalitis virus, Zika virus) และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเชื้อไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ 2019 (SARS-CoV-2) บนพื้นผิวสิ่งแวดล้อมที่ไม่มีรูพรุนได้ 99.9% ตามมาตรฐาน ASTM E1053-20 จึงสามารถใช้ในงานด้านการแพทย์และอุตสาหกรรมอาหารได้

การทดสอบการใช้งานของเครื่อง ENcase

ในการทดสอบการใช้งานเครื่องผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อเพื่อดูประสิทธิภาพและความทนทานนั้น ทีมวิจัยกำลังทดสอบเก็บรอบการผลิต โดยทดลองผลิตอย่างต่อเนื่องทุกวัน และในแต่ละวันผลิตประมาณ 4-5 รอบ ซึ่งปัจจุบันยังไม่พบปัญหาใด ๆ นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังได้ทดสอบการใช้งานในภาคสนาม โดยทีมตั้งเป้าส่งมอบเครื่องให้แก่หน่วยงานต่าง ๆ จำนวน 10 เครื่อง

ภาพที่ 7 การเติมเกลือแกงในเครื่อง ENcase

ดร.สมศักดิ์ เล่าถึงการใช้งานตัวเครื่องว่า  “ผู้ใช้จะมีหน้าที่ใส่เกลือแกง แล้วกดปุ่ม START เพียงปุ่มเดียวให้ระบบของเครื่องทำงาน เท่านี้ก็สามารถผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อได้แล้ว ดังนั้น ผู้ใช้งานไม่ต้องมีความเชี่ยวชาญด้านระบบไฟฟ้าเคมี เพราะเราพยายามออกแบบให้ระบบทำงานง่าย เพื่อไม่เป็นการเพิ่มภาระให้แก่ผู้ใช้งาน เพียงแต่เครื่องที่ส่งมอบอยากให้มีผู้รับผิดชอบหลัก 3-5 คน เพื่อควบคุมคุณภาพของน้ำยาฆ่าเชื้อทุกครั้ง”

พารามิเตอร์สำคัญของน้ำยาฆ่าเชื้อที่ต้องตรวจวัด ได้แก่ pH ความเข้มข้นคลอรีน และค่า ORP ด้วยเครื่องมือวิเคราะห์เฉพาะทางที่เป็นชุดทดสอบอย่างง่าย รวมถึงมีการจดบันทึกข้อมูลการใช้งานในสมุดบันทึกที่ให้ไปพร้อมกับตัวเครื่อง โดยทีมวิจัยได้คอยติดตามผลทุก 2 สัปดาห์ ในช่วงแรกเมื่อเวลาผ่านไปราว 2 เดือนแล้วก็ยังไม่มีรายงานว่าพบปัญหาแต่อย่างใด

จากห้องปฏิบัติการสู่การใช้จริงและผลตอบรับ

ดร.สมศักดิ์กล่าวว่า “ในช่วงที่ยังไม่เกิดการระบาดของเชื้อโควิดสายพันธุ์โอไมครอน โรงพยาบาลขนาดเล็กต้องไปขอน้ำยาฆ่าเชื้อจากสาธารณสุขจังหวัดซึ่งเป็นหน่วยงานกลาง ซึ่งอาจทำให้เกิดความล่าช้าไปบ้าง เมื่อเราลงพื้นที่เพื่อส่งมอบเครื่อง โรงพยาบาลก็สามารถใช้เครื่องผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อ และนำมาฉีดพ่นบริเวณที่ผู้ป่วยสัมผัสเพื่อควบคุมการแพร่ระบาดได้รวดเร็วขึ้น”

ดร.สมศักดิ์เล่าว่า “เราเสนอโมเดลให้ อบต. เป็นหน่วยงานกลาง เนื่องจากมีศักยภาพทั้งเรื่องมีเครื่องผลิตน้ำยา สามารถควบคุมคุณภาพของน้ำยาที่ผลิตได้ รู้ยอดในการผลิต น่าจะมีงบประมาณในการจัดหาเกลือแกงและภาชนะพลาสติก (เพราะคลอรีนกัดกร่อนโลหะ) อีกทั้ง สามารถกระจายน้ำยาฆ่าเชื้อไปตามครัวเรือนต่าง ๆ ได้ และเมื่อใช้หมดก็สามารถนำภาชนะเดิมมาเติมน้ำยาใหม่ได้ เพื่อลดปัญหาขยะจากการใช้ภาชนะครั้งเดียวทิ้ง”

ผลตอบรับ (feedback) จากผู้ใช้งานถือว่าได้รับเสียงตอบรับที่ดี เพราะผลข้างเคียงไม่รุนแรงเหมือนกับการใช้โซเดียมไฮโปคลอไรต์ แต่ก็มีข้อเสนอแนะเรื่องกลิ่นคลอรีน ซึ่งหากผสมน้ำหอมหรือสีก็น่าจะช่วยให้มีรูปลักษณ์ที่สวยงามมากขึ้น

สำหรับข้อเสนอเรื่องกลิ่นและสี ดร.สมศักดิ์เห็นว่าอาจต้องเปรียบเทียบข้อดีข้อด้อย กล่าวคือหากนำน้ำยาฆ่าเชื้อมาเช็ดทำความสะอาดพื้นผิวต่าง ๆ หรือมือ ความเข้มข้นของคลอรีนจะประมาณ 150-250 ppm ซึ่งมีกลิ่นไม่รุนแรงนัก แต่ถ้านำมาฉีดพ่นขยะติดเชื้อ ประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อก็อาจจะไม่เพียงพอสำหรับการใช้งานลักษณะดังกล่าว

ภาพที่ 8 บรรยากาศการส่งมอบเครื่อง ENcase ให้แก่โรงพยาบาล

แผนในอนาคต

ดร.สมศักดิ์เผยว่า “ที่วางแผนไว้มี 2 เป้าหมาย ได้แก่
1) ใช้งานเป็นสารฆ่าเชื้อแทนแอลกอฮอล์ โดยเน้นใช้ในงานหัตถการต่าง ๆ ตามวอร์ด และห้องผ่าตัด แต่การจะไปสู่เป้าหมายนี้ได้จะต้องผ่านเกณฑ์มาตรฐานผลิตภัณฑ์ฆ่าเชื้อตามข้อกำหนดของสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา (อย.) โดยต้องได้มาตรฐาน ISO13485 ระบบการบริหารจัดการคุณภาพอุตสาหกรรมเครื่องมือแพทย์ ซึ่งคงจะต้องพิจารณาต่อไป
2) พัฒนาเครื่องให้ฉลาดขึ้นโดยมีระบบสำหรับเจือจางน้ำยาฆ่าเชื้อภายในตัวเครื่องให้มีความเข้มข้นตามความต้องการเพื่อใช้งานในหลายลักษณะ แม้ในอนาคตโควิด-19 จะทุเลาลง เราก็ยังสามารถนำน้ำยาฆ่าเชื้อไปใช้ในด้านอื่นที่นอกเหนือจากด้านสุขภาพและการแพทย์ เช่น ด้านอุตสาหกรรมเกษตรและอาหารเพื่อสร้างมูลค่าแก่สินค้าส่งออก ทีมวิจัยคาดว่างานนี้จะสามารถตอบโจทย์โมเดลเศรษฐกิจ BCG เพื่อสร้างความยั่งยืนให้แก่ประเทศได้” ดร.สมศักดิ์กล่าวทิ้งท้าย

ทรัพย์สินทางปัญญา

1. สิทธิบัตร “อุปกรณ์ผลิตและปรับสภาพสารละลายกรดไฮโปคลอรัสด้วยไฟฟ้า”
2. สิทธิบัตร “ระบบห้องผสมน้ำเกลือความเข้มข้นสูง”
3. อนุสิทธิบัตร “ระบบผสมน้ำเกลือความเข้มข้นสูงสำหรับกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส”
4. อนุสิทธิบัตร “อุปกรณ์ลำเลียงสารละลายอัตโนมัติด้วยแรงตึงผิวของสารละลาย สำหรับผลิตน้ำยาฆ่าเชื้อที่มีคลอรีนเป็นส่วนประกอบ”

สนใจติดต่อ

คุณปภาวี ลิขิตเดชาโรจน์
ฝ่ายพัฒนาธุรกิจ งานประสานธุรกิจและอุตสาหกรรม
โทรศัพท์ 0 2564 6500 ต่อ 4306 โทรสาร 0 2564 6369 อีเมล: papawee.lik@mtec.or.th

ขอบคุณข้อมูลจาก
ดร.สมศักดิ์ สุภสิทธิ์มงคล
ทีมวิจัยเทคโนโลยีเชื้อเพลิงสะอาดและเคมีขั้นสูง กลุ่มวิจัยนวัตกรรมพลังงาน ศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ

]]>
Electric cars and energy storage technology https://www.entec.or.th/storage-technology/ Tue, 21 Sep 2021 05:46:57 +0000 http://10.228.23.44:31077/?p=5848

Interviewed by Dr. Buncha Thanaboonsombut

Thai Transcript by Mrs. Orawan Sumriddetkajorn

English translation by Ms. Patchareeya Rerkchavee

By Dr. Pimpa Limthongkul, Team Leader of Energy Storage Technology Research Team, Energy Innovation Research Group of ENTEC

Q: We have known that you had studied and researched on energy technology, especially the batteries, since you studied a Ph.D or before that and then came to work at MTEC. Could you tell us about your educational background?

A: 

I’ve been working on batteries since 1997 and it was the first year of my Ph.D. in Materials Science department at MIT (Massachusetts Institute of Technology).

Q: At that time, what was the topic of your research study?

A: 

In 1997, at that time, the most common batteries were single-use alkaline batteries or a very large cell phone battery. However, in 1992, it was the beginning of laptop computers which used lithium-ion batteries. The lithium-ion battery was very new at the time. Even in 1997, it had not been used in anything else other than mobile phones and laptops as portable electronic devices.

Q: As you work in a materials science, would you have to design systems, study various materials and batteries along with consult experts from other scientific disciplines?

A: 

Most people usually think of batteries as an electrochemical system. The most familiar one, for an example, is the lead-acid batteries used in cars. However, the materials used in energy storage do not have to be liquid, but they could be a wide range of materials. Even the lithium-ion batteries also employ a variety of materials as well.
Although it is called lithium-ion, there are various materials in the system itself, such as carbon and lithium-storage agents. For example, Professor Yoshino [1] at Sony who had invented the storage of lithium in carbon, thus initiating a widespread use of lithium-ion batteries, which won him the Nobel Prize in Chemistry in 2019. However, the anode is also another material, a type of oxide compound invented by two other Nobel laureates,  John Goodenough [2] and  Professor Whittingham [3].

At that time, I was a scholarship student majoring in materials science and had been assigned to study ceramics. So I had to study the materials, especially ceramics, related to batteries. It is a variety of inorganic substances in batteries that can be used to store electrical charges.

Q: Since at that time, this technology was very new, so when you returned to Thailand, it would be quite difficult because our industry were not ready. How did you adapt yourself? Or how did you apply your knowledge to guide the direction of the development of battery energy storage systems?

A: 

I studied for 5 years and returned to Thailand in 2002. At that time, there was virtually no battery research in Thailand because the research would require a lot of instruments. Therefore, we decided to collaborate with foreign partners and later we worked with various companies. At the end of my study, there was a company called A123 Systems established by my advisor and his team. We had made cathode materials and launched a startup company at MIT, which still operates today. Later, we worked with the company and learned basic knowledge from professors of MIT. In 2002, Thailand had very few investors, therefore, it was very difficult to get funding from private companies. I remembered that my first fund was 200,000 baht, which I had spent half of a total fund on a scale.  So the rest of the money wasn’t enough to buy other equipment, as well as I couldn’t hide other people. Thus, I had to do it all by myself together with collaborating with the professors, in which sometimes I went to his lab to work. I also helped develop the part of an energy system and the fuel cell part for my leader, Dr. Sumittra Charojrochkul[4], by developing materials for solid oxide fuel cells.

[4] Sumittra Charojrochkul, Director of Energy Innovation Research Group of ENTEC

Q: Is it an application of your knowledge with closely-related subjects?

A: 

Yes, it is. It actually employs the same basic knowledge, but depending on what systems you want to focus, all can be applied.

Q: Well, could it be said that you were the one who set up the infrastructure in the early stage and were the key person in technology, as well as built connections with foreign partners, especially the United States?

A: 

I’m not sure, but all I could say is that I was the only one who had worked on lithium-ion battery when I came back.  I’m also the one who set up cell production at the lab at MIT with my advisor. I did everything on my own starting from creating tools, a tester, cells by studying from the research paper until I was able to teach others.

Q: All of which must be considered beneficial for both MIT and Thailand because the system was set up from scratch?

A: 

Yes, it was. It was quite difficult. We had learnt everything because no one had experience in those days. That is to say, there were no course on the science of batteries. So we couldn’t find anyone to teach us how to assemble the cells. At that time, there were only a few company selling testing equipment.  In China, Research in this area had not yet begun. We didn’t get funding to purchase the tools because my advisor hadn’t been recognized as an expert in this field yet.  However, he is very famous now because he had set up about 4-5 companies and 4 of them are energy companies.

Q: It normally takes time to build a team. How did you train people who didn’t have direct background for this field? And how did you work with other researchers and research assistants to create a team working on batteries?

A: 

Actually, there are many people who have background in the field of fuel cell. In the beginning, Thailand had sent quite a number of people to study fuel cell technology. The knowledge of fuel cell could be easily adapted to be used in battery technology and vice versa.  Sometimes, people ask whether our work would be obsolete if fuel cell became trendy. But we think we could catch up later.  If fuel cells becomes more and more important, we still have people who have good background on its technology. They could perform materials characterization and share the information obtained.

I would like to add a few notes here.  Right now, we have 4 or 5 new researchers at ENTEC who graduated in the battery field. I also train our assistants to work as a team. That is, there are always at least 2 researchers in a project, and both do not have expertise in the same field.  For example, one with background in organic chemistry are paired with the other who has background in inorganic chemistry.  One with expertise in mechanical design are paired with one who has background in electrical engineering.  If a project’s main focus is on organic electrolyte, then a researcher in this field will lead and the other with inorganic chemistry will support.  They will learn the system together because we can’t look at battery as a single or stand-alone material. A battery must be view as a system.

Therefore, the advantage of our team at NSTDA is that we have people who have knowledge in many disciplines working as a team, sharing ideas and discussing regularly.

Q: Let me ask you about the electric vehicles – what are the conditions that would encourage people to buy electric vehicles?

A: 

Users would consider many aspects when buying  electric vehicles.  The most important ones are its price and ease of maintenance. Most of them would prefer the service center to be nearby and the infrastructure to be reliable, for example, support in case that their car is broken in the middle of the road.  However, I would like to stress that the rise of electric vehicles must start with acceptable price for other aspects, such as reliability, could be supported by technology.

The battery price has dropped very fast, about 3 times lower compared to that of 10 years ago. We have seen the cost curve coming down quite a lot over the past few years. Changes happen quite fast. If we look back on the news about automobiles 3 years ago, we will see that it is different from the situation today.

Q: How far can electric cars go on one charge?

A: 

As for a pure electric vehicle with no engine, it can travel about 300-500 kilometers on a single charge. A person living in Bangkok drives 40 kilometers per day on average, so this is OK.  But if one drives to other provinces, such as Chiangmai which is about 700 kilometers from Bangkok, there must be charging points provided on the way.  Also, there might be some concerns not only about the charging point but also about the charging time because it might take a couple of times to charge the battery and each time would take half an hour, which is longer than filling up with petrol which takes only 2 minutes.  However, there is a fast-charging system which might take 15 minutes and can drive for 100-200 kilometers.  All these issues are of interest to be communicated by the technologists.

Charging station at the gas station

Q: Is it possible to increase the battery capacity so that the electric vehicle could travel more than 300-500 km?

A: 

The battery capacity depends on the weight and size of the vehicle that is able to support the amount of battery cells. The more number of cells, the greater the distance, but the weight and price will be higher as well. Therefore, when designing a car, one need to look at the requirements, the price that the customer is willing to pay, the weight of the car that must be carried over the time as well as the energy efficiency.

Q: Does the government or the industry have a policy to increase the number of charging stations in order to boost up the confidence in using electric vehicles?

A: 

Well, the charging station is like a chicken-and-egg problem. If there were a lot of electric vehicles, there would be a lot of charging stations as well.  In fact, there is a plan to install 1,000 charging stations around the country, including fast charging stations.  As for highways, if the filling station were replaced by charging station or providing charging service, then the users would be more confident.

Charging station at the gas station

However, charging at home would not be a problem, but for charging at hotels would require infrastructure or being specified in the building code for the construction of a hotel or condominium. For example, newly-constructed houses everywhere in England are required by law to possess the charging system. In Thailand, the committee of the National Automobile Industry, an authority in charge of the transition to electric vehicle industry, is now considering  about the charging stations.

Q: Has the plan been approved yet? If not, when it will be released?

A: 

Not yet, we are working on it right now but the plan should be released around the end of 2021. I would say we are not the ultimate decision makers, but as a part of the working group, we are hoping that within this year the decision will be made since the situations are rapidly changing. Therefore, if our plans were to delay, we would have to keep updating and take appropriate actions, otherwise we might lose a huge opportunity.

Q: If one looks at Tesla, which focuses on producing luxury cars for high-end customers, and then expanding its business by building a battery factory because batteries are the core component of electric cars. As for China which champions the use of electric cars, it has a policy to transform an entire city from using combustion engine cars to electric vehicles. These two strategic model seems to be quite opposite. For Thailand, what kind of model would we use?

A: 

This is all about the vision of the new s-curve industry, that is to focus on the big goals.  Tesla wants to build electric vehicles because they believe that electric vehicles will be the future. However, Tesla was not the first brand to build electric car because there are many companies that has made them ages ago even the cost curve of the battery was not down and the technology is not yet mature.

Tesla waited until the cost of batteries dropped. The company started building a high-end electric vehicle model because it can deliver high torque and have an  acceleration at a level of racing cars and thus can be sold with a high price. However, people don’t see it as necessary since it’s not the only type of car in the market, as well as it doesn’t have enough reliability in case that the car couldn’t be use.  All in all, Tesla did intend to build electric vehicles.

In China, the electric vehicle industry has emerged from the fact that batteries are safer and more reliable. Because in the past, when the battery was not considered safe enough, it couldn’t be used in the car. The industry had to wait until  the scientists who has got Nobel prizes had figured out the ways to make batteries become safer. Apart from being safe, batteries also have more capacity and are cheaper, therefore, the development of various materials for battery has initiated the electric vehicles industry.

The first 10 years (1992-2002) after I graduated, the battery employed lithium cobalt oxide (LCO), which was the only cathode material that could release high energy. However, since this material was very dangerous, it was then used at a small level.  Later, there were various materials, such as lithium iron phosphate (LFP), lithium-ion manganese oxide (LMO), and lithium nickel manganese oxide (LNMO), all of which were safer and people have been assured to put them in cars.

For example, BYD (BYD Auto Co., Ltd.), one of the first company in China that manufacture electric cars, first started producing electric buses and then began to produce an electric taxi, which we used at Suvarnabhumi Airport. The company started its production using LFP and was at first being an OEM (Original Equipment Manufacturer) for other companies.  However, in the end, the company decided to switch from battery company to car manufacturing company. That is, the company had started in different ways compared to Tesla. Tesla saw itself as an automotive  maker and then bought the battery, and later started to design a battery pack to put in the car.  On the other hand, BYD had started from producing the battery first and then transformed itself to be a car manufacturer.

To stress this point, Tesla itself said that its competitors are not car companies, but Apple and Google.  The creation of a new industry from automotive industry.  In the future, the important things will be digitization, the management of the entire network, as well as the energy issue, all these will change very quickly in the automotive industry.

Q: Do you have any comments on hybrid cars? As some companies view electric vehicles as an end-point, but during the transition of 5-10 years, they place importance on hybrid vehicles since the infrastructure is not yet ready?

A: 

Thailand also supports the production of hybrid cars as well such as we have tax incentives. In the past, use of hybrid vehicles were considered a transition. Hybrid vehicles are primarily used for environmental reasons. That is, it helps reduce overall emissions, thus creating a good EURO efficiency, which is a mandate or requirement of European countries and the United States that prefer low carbon emissions. Therefore, hybrid cars can help; but back then, people didn’t expect that the battery price would go down very quickly and at the same time, the development of batteries was quite fast.
Hugh efforts has been put into research and development around the world in order to rapidly reduce the battery’s prices and increase its efficiency. In the beginning, there were not many players, but now when China starts to penetrate the market, it becomes a global leader in the electric vehicle industry. Chinese companies could be set up very easily since China has the entire value chain within the country. That is, a new industry can be created in a few years.

Q: Therefore, the transition period for hybrid vehicles in the market should be shorter due to the fast development of batteries, of which the technologies is better, higher capacity, and lower price?

A: 

Yes, in the end, hybrids will be more expensive than pure electric vehicle since they have both the internal combustion engine and the battery system. Possessing two systems are not economically viable. Battery prices have dropped dramatically because of research and development, and rapid market building. Creating demand was done by various governments, such as those of Europe or China, thus creating an economy of scale.  This will  lead to lower battery prices and the price of electric cars has been dropping faster than people had expected.

Q: What is the role of the Energy Storage Technology Research Team in the electric vehicle value chain?

A: 

We are technologists at the National Energy Technology Center, so our main responsibility is to work on research and development in the value chain focusing on energy storage systems. Our focus would be battery or super capacitor, or in the future, may be a hydrogen storage system, and other technologies related to energy storage system.

The battery prototype for electric vehicles

However, it is inevitable that we have to work with the industrial sector. As a group of people with expertise in this area, we need to provide policy recommendations for some works, and will also have some projects in this area to help the government in education or integrate technology into applications. For example, in our team, there is a group of Dr. Jiravan [5] whose work is to integrate renewable energy, such as solar power systems, into energy system and microgrid systems. A cost-effective use of batteries must be considered . The research team understands the performance and cost and always take these issues into account. However, in order to be more confident that we have considered all important aspects, for some projects we also works with competent partners such as TDRI (Thailand Development Research institute) on economics.

[5] Dr. Jiravan Mongkoltanatas, Researcher of Energy Storage Technology Research Team

Q: Well, you are also the President of Thailand Energy Storage Technology Association (TESTA). Could you tell us about TESTA?

A: 

Thailand Energy Storage Technology Association (TESTA) has been established this year (2021).  However, the Thai Energy Storage Technology Network Partners was established last year since we need quite a lot of people to do a lot of things.  Eventually we had gathered from network partners as a collaboration between the National Science Technology Development Agency (NSTDA), King Mongkut’s University of Technology Thonburi, Khon Kaen University, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, and the Electric Vehicle Association of Thailand (EVAT).

Thailand Energy Storage Technology Association (TESTA) https://www.testa.or.th/

Currently, there is quite a strong push on the electric vehicle industry and the battery usage has attracted a lot of attention in Thailand.  Therefore, we should work together in order to exchange knowledge by providing useful and reliable information to the general public and be able to make a decision on usage or investment of various technologies. As a result, we had registered as an association, which was established on January 25th, 2021. We want it to be a common platform where we can talk, exchange, and understand the information. We expect to  perform as an intermediary to send this information to various agencies or be able to exchange information among those interested people in this field, as well as keep the information up to date. 

Q: As you have told us, it can be seen that Thailand has an industry, a national policy, and ENTEC that focuses primarily on research and development, as well as other energy-related issues. At the same time, does TESTA perform as a center for all stakeholders to share their policies?

A: 

It is our vision and mission. We want TESTA to be the center of knowledge exchange and dissemination of useful information, and some are also providing information at the government level not from the academics. As we are technologists, we would like to understand the industry perspective on the problem.  Because our research problem should not be of blue-sky type but must be a real-life  problem or practical engineering that could also lead to a deep science. Therefore, technologists have a responsibility to help each other monitor the user as a contributor, and the manufacturer as the information provider of the problems, as well as responsible for helping to fill this gap together. 

The audience can be assured that ENTEC have strong technical expertise that comes from research and development in collaboration with the manufacturing sector. Both TESTA and ENTEC are working to make the public be aware of the movements of the status and the different directions that are taking place, which can be considered to answer the needs of many levels, such as in-depth research and development, policy and others.

Well, we are willing to help each other. When it comes to energy, we are a part of ENTEC, we always see energy as an important factor in our lives. I’m glad to have the opportunity to work in many aspects for the maximum benefit to society, Dr. Pimpa said.

Lastly, we would like to thank Dr. Pimpa Limthongkul for sharing knowledge of Electric cars and energy storage technology and if there will be an opportunity in the future, we would like to invite her to share and discuss some in-depth aspects or other interesting issues. For the next episode, there will be researchers from ENTEC to provide information on various dimensions.

For those who are interested in this podcast, please visit:

]]>
Everything You Need to Know about Batteries https://www.entec.or.th/knowledge-batteries/ Mon, 19 Jul 2021 07:24:58 +0000 http://10.228.23.44:31077/?p=5543

By Mr. Ukrit Sahapatsombut, Dr. Thanya Phraewphipat, Dr. Jiravan Mongkoltanatas, Dr. Priew Eiamlamai,
Dr. Nattanai Kunanusont, and Dr. Pimpa Limthongkul

Energy Storage Technology Research Team,
Energy Innovation Research Group of the National Energy Technology Center (ENTEC)

Overview

Q: What types of batteries are in use today? And what are the differences?

A:

Batteries in use today are divided into two main types:

1) Single-use batteries or primary batteries.

2) Rechargeable batteries or secondary batteries.

All batteries operate through electrochemical reactions called oxidation and reduction.  Oxidation occurs at the anode. Reduction occurs at the cathode.   In a single-use battery, these reactions are irreversible; whereas in a rechargeable battery, these reactions are reversible.

Q: What types of rechargeable batteries are in use today? And what are the differences?

A:

There are a dozen of rechargeable batteries but only a few are widely used, such as lead-acid batteries, nickel-metal hybrid batteries, lithium-Ion batteries, sodium-sulfur batteries, and batteries with the flow of energy storage as shown in Figure1.

Table1: Batteries in use today

Q: What is the direction of the development for each type of battery?

A:

In general, the aim of battery development is to achieve higher energy density (either per weight or per volume), improved safety performance, and lower price. According to Figure 1, it can be seen that the direction of battery technology is to develop higher energy density and specific energy; some examples shown are lithium-sulfur battery, lithium-air battery, zinc battery, aluminum battery, and solid lithium-ion battery.  [1]

In addition, the development also includes materials improvement, such as anode material, cathode material, and electrolyte solution (especially in lithium-ion batteries that have higher electrical energy and power), as well as an increase in the range of operating temperatures.

Figure 1: The energy performance of current technology battery and batteries in development.

Q: Is it OK to use a mobile phone while charging the battery? Why?

A:

Using mobile phones while charging is possible but not recommended.  [2] The reason is that using and charging a mobile phone at the same time from a household electrical power (220V) power may result in danger from an electric shock or a leakage. Not only this danger comes from mobile phones or batteries, but also they can be caused by other electrical appliances in the house depending on the quality of the equipment and preventive measures.

The reasons that a user can get an electrical shock from a mobile phone while charging are as follows:

1. The charger is defected or has low quality. The function of a charger (adapter) is to convert an alternating current (AC) of 220V into a direct current (DC) with a voltage of no greater than 5V and protect the user from getting the AC power directly. However, if the charger is defected, it may create an electrical leakage.

2. The charging cable has low quality. The charging cable that has been in use for quite a while may be torn or broken, increasing a chance for leakage and burning risk.

Therefore, using a mobile phone while charging with a household electrical power (220V) power may not be safe. However, if it is necessary, using a power bank is a better choice.

In addition, using a mobile phone while charging may affect the battery lifespan due to extra heat generated. Thus, the user should avoid using the battery while charging to preserve the battery

Q: How does the charging affect the battery lifespan? What is the correct way to charge the battery?

A:

There are various types of batteries, each has its own characteristics and should be treated appropriately.
A lead-acid battery should always be kept in a fully charged condition.

A nickel-cadmium battery and a nickel-metal hydride battery, should not be frequently charged but should be used until fully discharged and then recharged to its full capacity.

A lithium-ion battery should be charged with a constant current. In some devices, when the battery is nearly fulled (>80-90%), the regulator will reduce the electric current by charging with constant voltage until the battery is fully charged. However, in theory, the optimum operating range to extend the lifespan of lithium-ion batteries is 20-80%. Therefore, if the users want to extend its lifespan, the following issues are noted.

  • A lithium-ion battery should not be used until it runs out because it will deteriorate faster.
  • Charging a lithium-ion battery overnight normally does not affect its lifespan significantly; however, this also depends on the device and charging system used
  • A fully-charged lithium-ion battery that has been left unused for a long time will deteriorate itself faster. Therefore, if not using, it should be charged halfway. However, if using the battery regularly, it can be fully charged in an appropriate way.
  • A lithium-ion battery should not be charged and used simultaneously.

Most importantly, the factors that affect battery lifespan, in general, are temperature, electric current, and charging voltage. Some recommendations for preserving the battery charging are as follows.

  • Choosing the right charger for the battery, e.g., a charger that has been approved to use with a particular device.
  • Do not use encapsulated gadgets (such as cell phone cases) that trap heat while charging and the device should not be placed in an enclosed or unventilated area.
  • Do not charge the battery in a high temperature location.

Q: What are the signs of battery deterioration?

A:

  • The hours of battery life decreases.
    Battery deterioration means the battery’s capacity decreases and less power is available for a fully-charged battery. That is to say, a fully charged battery has a shorter lifetime for a similar task.
  • The heat of the battery increases.
    Once the battery deteriorates, the internal resistance of the battery will increase. That is, more heat will be generated compared to that of the new battery, and the user will feel the heat (e.g., while using a mobile phone).
  • The battery behaves differently.
    When the chemicals or materials inside the battery deteriorate, it may cause an accumulation of gases inside the battery, resulting in a swollen battery with a possible leakage of electrolyte.

Q: What makes the battery degrade? How to prevent it? Are the viscous liquids dangerous, especially when they touch the skin or wound?

A:

Battery deterioration is caused by chemical deterioration within the battery cells that decreases the battery’s capacity. Therefore, less power could be used for a fully charged battery. Some possible causes of battery deterioration are as follows:

  • An expiration of the chemicals or materials inside a battery cell.
  • An improper use and storage, which generate heat, a most influential factor that accelerate the deterioration of the battery.
  • A malfunction caused by undercharging or overcharging.

Thus, a practical preventive measure is to regularly inspect and check the charging system and examine the outside conditions and the leakage of the battery cell.  In addition, a battery should not be stored or used in high temperatures since the battery lifespan will be reduced.[3]

The viscous liquids commonly seen leaking out from the carbon-zinc cell and alkaline cell are electrolytes.  Typical batteries use ammonium chloride (NH4Cl) and zinc chloride (ZnCl2) as electrolytes. When manganese dioxide is completely reacted (the battery runs out), the acidic electrolyte will be able to react chemically with the zinc canister, which causes corrosion and leakage of internal chemicals. As for alkaline batteries, a potassium hydroxide solution is used as a basic electrolyte solution that can also react chemically with zinc containers when the battery has reached the end of its lifespan. Apart from the solution leakage, heavy metals were also found as shown in figure 2.  An electrolyte of lithium-ion batteries is in liquid state and consists of lithium salts carbonate organic solvents.  It can be deteriorated by moisture or heat, thus resulting in leakage occurs.

When an electrolyte is in contact with water or external moisture, it forms hydrofluoric acid (HF) with severely corrosive and highly toxic properties and can cause irritation. This acid can damage tissues and interfere with the function of the nervous system so that people who are in contact with this acid may not feel any pain at first, but in the long run, it will lead to osteoporosis and osteoarthritis. Thus, this acid is extremely detrimental.

Figure 2: Chemical hazards toward the human body

Q: Does putting a battery in a freezer help extend the battery lifespan somehow?

A:

Putting a battery in a freezer in the hope of extending its lifespan is a misunderstanding because the freezer has a very low temperature, which may cause various terminals to deteriorate. That is to say, the battery should be kept at a temperature that is neither too high nor too low. However, once the battery is swollen or deteriorated, it should not be used but be replaced with a new battery.

Q: What is the memory effect in the battery? In what types of batteries this effect be found? How does it affect battery performance?

A:

The reason why certain batteries have a memory effect or unwanted “memory” is that there is a change in the microstructures of the positive and negative terminals that have not been used for a long time. This effect is found in nickel batteries, such as nickel-cadmium or nickel-metal hydride. In general, the crystal size of nickel compounds that collects the electric charge is small, thus creating a large surface area to conduct the electricity. However, if a part of the battery is left unused, the crystal size will increase, and the terminals’ overall surface will decrease, as well as the electrical resistance will increase and the reaction becomes more difficult, leading to the deterioration of the battery performance.

To avoid a memory effect, nickel batteries should not be charged and used at the same time but it should be used until it runs out or drains at least once a month to keep the crystal size of the nickel compound in the anode close to that of the original. The most widely used solution relies on a device that can draw an electric current until the battery has an electric potential lower than usual or 0.4-0.6 volts per cell to allow the large crystal forming at the pole to split and become smaller.

Currently, Sanyo/Panasonic (Sanyo SMI-Thailand Co., Ltd.) has succeeded in reducing the memory effect in Ni-MH batteries under the brand ‘Eneloop’.

Q: What are the reasons that may cause a battery to explode or catch fire?

A:

Various incidents may result in battery explosion and are grouped as follows.

    1. A battery explodes or catches fire from external factors.

      1.1  It is overheated (thermal abuse).

      1.2 It is impacted by external shocks (mechanical abuse), such as being dropped or crushed, or impacted from a collision.

    2. A battery explodes or catches fire from internal factors.
    3. A battery management system has malfunctioned (BMS malfunction).
    4. A battery is overcharged (charger malfunction).
    5. An internal short circuit due to false design or the degradation of a battery.

These factors create internal heat and chemical reactions, leading to swollen, or exploded batteries if they cannot be cooled or released the gas. In order to prevent heat and high-pressure situations, most batteries should have expansion valves as a primary protection device. In addition, for lithium batteries with high-energy capacity, it is necessary to have protection devices preventing over-charged and over-discharged of the limited current and voltage.

There are two types of protection devices:

  1. Protection Circuit Module (PCM) to prevent an overcharge and overuse of the battery by terminating the electricity when the battery reaches the specified voltage level.
  2. Battery Management System (BMS) is a system, which controls and prevents the battery from working in danger, such as overcharging or discharging batteries, as well as balancing cell batteries to maximize battery capacity and extend its lifespan.

Q: What type of battery is a power bank? Why is it forbidden to carry on a plane if the capacity is larger than 32,000 mAh?

A:

A power bank contains lithium-ion batteries, which is forbidden to carry on a plane because it has a high energy-to-weight capacity. The International Air Transport Association (IATA)  [4], therefore, has specified the rules and regulations of power bank batteries as follows.

  • Do not put power bank batteries in checked luggage.
  • The power bank batteries are allowed to carry a carry-on bag with a capacity limit of not more than 32,000 mAh.
  • The power bank batteries with a capacity of 20,000 mAh (or less than 100 watt-hours (Wh) can be carried onboard up to 20 batteries.
  • The power bank batteries with a capacity of 20,000–32,000 mAh (or between 100-160 watt-hours (Wh) can be carried onboard up to 2 batteries.
  • The power bank batteries with a capacity of 32,000 mAh (or more than 160 watt-hours (Wh) are not allowed on board.

The 32,000 mAh number is specified based on the electrical power of a power bank with a 160 Wh at approximately 5 Volts (32,000 mAh x 5 V = 160 Wh), of which 160 Wh is equivalent to 1/7 of the energy  of 1 kg TNT bomb. [5]

Battery management

Q: Are different types of batteries handled differently? How?

A:

Used batteries are hazardous waste that cannot be disposed of by landfill or incineration like conventional waste. This is cause batteries contain metal elements, which cannot be decomposed naturally by landfills and creates air pollution when incinerated. Batteries also contain acidic electrolytes or toxic organic substances, thus they may leak and create environmental pollution in a landfill. Therefore, specific measures have been taken to ensure a proper handling of the battery. Battery management starts with collecting used and worn-out batteries, for example, small batteries, such as batteries in mobile phones and computers. It is consumer’s responsibility to dispose of them at the correct e-waste collection point.  These batteries should not be disposed with general waste because they may be incinerated, thus creating environmental pollution.  As for large batteries, such as lead-acid batteries used in automobiles or lithium-ion batteries used in electric vehicles, the entrepreneurs in the industrial sector, such as battery dealers or electric vehicle dealers, are responsible for collecting and handling used batteries under the supervision of the Department of Industrial Works. A battery collection process is followed by a separation process, which will sort out the types of batteries for further disposal or recycling.  The principles of handling or recycling each type of battery are similar, i.e., discharging to reduce the energy of a battery and make sure that it will not spark, and then dismantling all parts to separate the electrolyte and materials in the battery before disposing or recycling process.  In other words, the difference in handling each type of battery is the disposing or recycling procedure of battery materials since different batteries have different components.

Q: How should users dispose of the batteries to reduce their environmental impact? Is there a management system in Thailand? There are various Battery disposal points, and where do discarded batteries go?

A:

The user (or the consumer) should be aware of the proper disposal of the battery by separating the battery from the device in use first. Then put it in a sealed bag to avoid a short circuit and clearly label it as toxic waste, and discarded at various receiving points, such as department stores, mobile network shops, and post offices. However, if the battery cannot be removed, such as mobile phones batteries, large batteries (e.g., lead-acid batteries), or battery packs in electric vehicles, the consumers should return or replace the battery to the supplier and should not disassemble it to get valuable materials from the battery.

At present, lead-acid batteries are the most commonly used batteries in automobiles, therefore, the consumers or suppliers normally separate batteries to get the lead ingots. This will cause the smelters to receive lead poison through contact and respiratory tract, as well as creates environmental pollution. In addition, disposing of the acid that contains electrolytes inside the lead-acid batteries also directly impacts the environment.

In Thailand, no law specifically supports battery waste management, but there are laws related to electronic waste management, such as the Act (Act on Enhancement and Conservation of National Environment Quality B.E. 2535) that controls waste disposal and maintains environmental quality, the Factory Act B.E. 2535 that sets standards and methods for controlling waste from the factory, the Hazardous Substance Act B.E. 2535 that applies to those who manufacture, import, export or possess hazardous substances, and the Public Health Act (No. 2) B.E. 2550 that specify local administrative organizations must arrange for the proper separation, collection, and disposal of hazardous waste from the community. Currently, Thailand is in the process of pushing for a draft of the Act on the Management of Waste Electrical and Electronic Equipment B.E. (WEEE: Waste Electric and Electronic Equipment Act) [6]. This Act includes the Extended Producer Responsibility: EPR) and product recall systems, which allow an entrepreneur to retrieve more scrap batteries for recycling.

Q: Can batteries be recycled?

A:

Batteries can be recycled. There are various methods of recycling depending on the type and material inside the battery. At present, lead-acid batteries are in large quantities and mostly used in automobiles. The recycling of lead-acid batteries starts by pouring the acid out of the battery, then disassembling to separate the case and material for plastic cases to be recycled, and the internal material can be separated into lead oxides and plates, which are melted in the factory to smelt lead and recycle the elemental plates.

As for lithium-ion batteries, there will be more battery waste in the future due to the increased use of electric vehicles (xEV). It is estimated that by 2032, Thailand will have more than 22 million electric vehicles [7] , making the recycling of lithium-ion batteries a crucial topic in the future.

Since the material value of lithium-ion batteries accounts for 64% of the total battery value. [8] The deteriorated or failing lithium-ion batteries are checked for electrical performance and state-of-health of the battery first. If the battery is damaged in the electrical circuit or some cells in the module are damaged, it will be repaired or replaced, and then reused, which is called remanufacturing method. Moreover, if the battery has a State-of-health between 60-80%, it can be used in other applications that require less battery capacity, which is called battery repurposing or a second-life method, such as using batteries in deteriorated electric vehicles in stationary energy storage systems. Currently, Nissan Motor (Thailand) Company Limited has cooperated with Eaton Industries (Thailand) Ltd., to develop used lithium-ion batteries in Nissan leaf cars as a home backup power source, which is called xStorage. [9] However, if it was found that a state-of-health of batteries has a lower value than 60%, it can be recycled as shown in figure 3.

Figure 3: The management of lithium-ion batteries according to their state-of-health values.

Battery recycling consists of four main processes:

  1. The mechanical process: a process of decomposing and separating battery materials by a mechanical process, such as crushing, filtering, magnetization, and refrigeration.
  2. The pyrometallurgical process: a process that uses heat to melt and smelt iron and bring back precious metals in the form of alloys.
  3. The hydrometallurgical process: a process that uses chemicals by leaching and returning precious metals in the form of a salt solution.
  4. The direct recycling process: a treatment for the material inside the battery that is directly deteriorated to make the deteriorated material to have a quality as original materials and can be used in the reassembled battery.
Figure 4: The recycling process of lithium-ion batteries.

Recycling lithium-ion batteries involves a combination of the above processes [10] as shown in Figure 4, which each company from various countries has different ways to recycle lithium-ion batteries.  [11] For example, the Umicore Company in Belgium, which has used the thermal metallurgy process in the smelting of precious metals such as cobalt, nickel, copper and iron into alloys and then melted by hydrometallurgical process to separate precious metals. As the Retriev Company in the United States, which has used liquid nitrogen to freeze batteries to prevent lithium reaction and then crush and separate the materials, it was then separated by hydrometallurgical process to to extract lithium and cobalt. In Thailand, there is no lithium-ion battery recycling plant, therefore, the entreprenuers will export used lithium-ion batteries to foreign countries for recycling.

References

  1. BATTERY 2030+ Roadmap: Inventing the Sustainable Batteries of the Future, Research Needs and Future Actions, https://battery2030.eu/digitalAssets/861/c_861008-l_1-k_roadmap-27-march.pdf (accessed November 5, 2020).
  2. เตือนภัยอย่าใช้มือถือขณะชาร์จแบต, การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค, https://www.pea.co.th/ (accessed December 23, 2020)
  3. T.D. Tran, J.H. Feikert, R.W. Pekala, K. Kinoshita, Rate effect on lithium-ion graphite electrode performance, J. Appl. Electrochem. 26 (1996) 1161–1167. https://doi.org/10.1007/BF00243741.
  4. Traveling with Portable Electronic Devices (PEDs), https://www.iata.org/en/programs/ops-infra/baggage/ped/ (accessed November 27, 2020)
  5. Energy and Work Conversion Table, https://www.unitconversion.org/unit_converter/energy-ex.html (accessed December 29, 2020)
  6. บันทึกหลักการและเหตุผล ประกอบร่างพระราขบัญญัติการจัดการซากผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ พ.ศ. …., https://www.lawamendment.go.th/index.php/faq?id=717 (accessed November 11, 2020)
  7. รายงานแผนพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้าเพื่อรองรับยานยนต์ไฟฟ้าของประเทศไทย, https://www.eppo.go.th/images/Infromation_service/studyreport/EV_plan.pdf (accessed November 11, 2020)
  8. Pillot, Christophe. “Avicenne Energy.”Battery Market Compilations, twenty first ed. (2017).
  9. Nissan and Eaton release ‘Xstorage’ – home energy storage solution, https://www.pntpower.com/nissan-eaton-release-xstorage-home-energy-storage-solution/ (accessed November 11, 2020)
  10. M. Chen, X. Ma, B. Chen, R. Arsenault, P. Karlson, N. Simon, Y. Wang, Recycling End-of-Life Electric Vehicle Lithium-Ion Batteries, Joule. 3 (2019) 2622–2646. https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.014.
  11. Pinegar, Haruka, and York R. Smith. “Recycling of end-of-life lithium ion batteries, Part I: Commercial processes.”Journal of Sustainable Metallurgy (2019): 1-15.
]]>
Solar cell power https://www.entec.or.th/knowledge-solar-cell/ Wed, 23 Jun 2021 05:44:58 +0000 http://10.228.23.44:31077/?p=5242

By Dr. Amornrat Limmanee, Solar Photovoltaic Team Leader of Solar Photovoltaic Research Team,Energy Innovation Research  Group of ENTEC Interviewed by Dr. Buncha Thanaboonsombut Article by Mrs. Orawan Sumriddetkajorn

Q: Could you tell us about your educational background? We have known that you studied high school in Japan, right?

A: 

After I graduated from junior high school in Thailand, I won a government scholarship to study in Japan for one year. Later, I continued to study high school until I graduated with a Ph.D. in physical electronics, totaling 13 years in Japan.

I have always had a passion for science and mathematics, therefore studying in Japan was a great opportunity since Japan is one the most advanced countries in the world in electronics technology. I, thus, chose to study electrical engineering.

Q: Why did you choose to study in depth about solar cells during your master’s-doctoral degree?

A: 

I had previously studied semiconductors and electronic circuits during the bachelor’s degree, and my advisor informed me that in studying semiconductors, one must choose to focus on either diode or solar cell. Therefore, I chose to study solar cells because I have never had experience in solar cells but already studied diode and semiconductors. At that time, there were not many people working on solar cell research in Thailand, except Prof. Dr. Dusit Krea-ngam, Prof. Dr. Somsak Panyakaew and Dr. Phopon Sitchnukit.

Q: During a Ph.D study, what was your research topic? And which private company did you take an internship?

A: 

My research topic was the development of a film layer in a crystalline silicon cell, which was an anti-reflection layer and reduces energy loss on the bottom and top electrodes by forming silicon nitride. Since solar cells require a lot of refraction, the top layer must be developed to reduce reflection and reduce other losses, therefore, I had developed silicon nitride film and silicon-oxide to be used in crystalline silicon cell structures.

During the internship, I worked at Mitsubishi Electric Corporation, where I learned about doing research and development of small cells, measurement and analysis of small cells and the actual fabricatiom process to create commercial solar panels.

Furthermore, subsidiary companies of Mitsubishi Electric not only produce various electrical and electronic devices but also have their own solar cell plantsl; however, most of them are sold within Japan and exported to countries other than Thailand. At that time, the company measured the properties of silicon wafers to determine which wafers would be suitable for building solar cells, as well as the selection and analysis method of how to achieve high efficiency and reduced loss.

Q: Since Japan has a strong reputation for the production of electronic devices and solar cells. If we consider global picture, is there any particular country to compete with Japan?

A: 

10 years ago, Japan competed with Germany and the United States, and used to have the highest solar panel capacity in the world. But now, China is one of the key players in this market.

Q: When talking about solar cells, people usually think of black panels installed on the roof or on the ground. Could you give us an overview of solar photovoltaic technology and what does a solar cell consist of?

A:  

A solar cell l is a semiconductor with energy band gaps that directly absorb the solar spectrum. There are various types of solar cells, but the most common is fabricated from  silicon for its affordable prices and large quantities. However, some types are rare, e.g., those made for rare earth, which is expensive and has high production cost. The doped material creates a potential difference in the PN junction, the photon [1] creates the negatively charged electron and the positively charged hole, both of them could conduct electricity. A potential difference, therefore, causes the electrons to move in the opposite direction of the hole, and when a circuit is complete, electricity is generated.

[1] A photon is a particle of light and its energy depends on the wavelength of the light.

Q: How does the solar cell work? Does the research team view light as a wave or a particle?

A:  

It can be viewed both ways. If we talk about an electron and a hole, then we consider light as particles because, in solar cell measurements, one need to measure quantum efficiency [2] to see how much light is converted into electricity at each wavelength. On the contrary, if we consider light as wave, the amount of light energy per square meter before conversion will be of interest in order to see the whole picture.

[2] quantum efficiency is the amount of electrons that the materials emitted per amount of photon absorbed.

Q: What are the main components of a solar cell system?

A:  

  • A solar panel

It is a combination of cells connected to give the voltage and current required for the system.

  • An Inverter

This device is used with home appliances to convert direct current to alternating current because solar cells yield a direct current.

  • A battery

This device is required to store electrical energy produced from solar cells.

  • A charge controller

This device is necessary because the electricity produced from the solar cell may be irregular depending on the amount of sunlight; thus, it could damage the battery if charged directly.

Q: If we talk about solar cells, it is a material that receives light and then converts into electricity. But if we look at the whole system, Is it called a solar photovoltaic system?

A:  

Yes, it is. Actually, there is another form of solar power generation, which is called a solar thermal to produce hot water or steam and then to generate electricity. However, if converted from light to direct electricity, it is called a solar photovoltaic system or solar PV system.

Q: From the point of view of materials that refer to different types of crystals such as monocrystalline, polycrystalline or multicrystalline, and amorphous, how do these crystals affect the difference in photovoltaic performance?

A:  

The most efficient photovoltaic crystals are single crystals because they are homogeneous. However, if it is polycrystalline, there will be grain boundaries, which cause a lost in energy. In the past, single crystal was quite expensive, therefore, polycrystallines are widely employed, even though with lower efficiency. But in economic terms, they are cost-effective.

At present, China’s large-scale production of single crystals has caused the price of single crystals to plummet, thus making single crystals dominates the market. About 96% of silicon wafers used in the solar cell industry are made in China, allowing China to control both from upstream to downstream and causing a price reduction since 2010. The price per watt of solar cells was once as high as 80 baht per watt, but now it’s now reduced to only 20 baht per watt. At the solar farm level the cost is lower than 10 baht per watt. Thus the cost of solar energy is lower due to decrease panel prices. In other words, other countries cannot lower prices as much as China because China is a wafer producer, and once it is sold, China is able to fully control both price and quality.

Q: How competive is amorphous silicon thin film technology?

A:  

About 10 years ago, amorphous silicon thin film is a film coating technique by using gases such as silane or hydrogen to create an amorphous silicon film on the glass substrate because the cost is cheaper than single crystal. Now, as the single crystal price was dropped to the same level as that of amorphous silicon thin film, thus causing the amorphous silicon thin film slowly disappeared from the market and only left in a very small proportion.

Q: If the demand for amorphous silicon decreases, will its research and development continue or decrease following the trend of the market?

A:  

If the demand of for the amorphous silicon decreases, its research and development will be decreased and the amorphous silicon will be used as a layer in a crystalline silicon cell. It was originally used to fabricate solar cells but is now changed its role to be a supplement to increase the efficiency of crystalline silicon cells.

Q: While you were working at NECTEC, what was your research?

A:  

At NECTEC, I was doing research on amorphous silicon thin films fabricated on a polyimide base, which was a flexible, rollable, portable plastic. At that time, in terms of technology, it was possible to make it in a laboratory measuring 10×10 cm 2, but to scale it up, it required a roll-to-roll processing machine, which had cost constraints. That is to say, when the production is low but the price is high, thus it is not economically viable. In addition, it is also difficult to find investors during the time that the crystals price were low, so others turned their attention to the crystal
เซลล์แสงอาทิตย์แบบงอได้โดยสร้างบนฐานรองโพลิอิไมด์
Flexible solar cells built on a polyimide base

Image source: The research and development of Silicon Thin Film Solar Cells on Bendable Base by NSTDA in 2010

Q: When the crystal price decreases, how do the research direction respond?

]]>