Abstract:
แนวโน้มของการพัฒนาแบตเตอรี่สังกะสีไอออน (Zn-ion batteries) แทนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion batteries) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเนื่องจากแบตเตอรี่สังกะสีไอออนมีต้นทุนการผลิตต่ำกว่าและมีความปลอดภัยสูงกว่า งานวิจัยจำนวนมากได้ศึกษาและพัฒนาแบตเตอรี่สังกะสีไอออนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน อย่างไรก็ตามความเข้าใจพื้นฐานการเคลื่อนที่ของสังกะสีไอออน (Zn²⁺) ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ (electrolytes) มีอยู่อย่างจำกัด การเคลื่อนที่ของ Zn²⁺ ส่งผลต่อค่าการนำไฟฟ้า (conductivity) ของสารละลายอิเล็กโตรไลต์และส่งผลต่อเนื่องไปที่สมรรถนะของแบตเตอรี่ งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการจัดเรียงตัวและการเคลื่อนที่ของ Zn²⁺ ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ต่าง ๆ ด้วยการจำลองพลวัตเชิงโมเลกุล (molecular dynamics simulations) ตัวแปรที่ศึกษา ได้แก่ ความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโตรไลต์ [ซิงค์ซัลเฟต (zinc sulfate : ZnSO₄) ที่ความเข้มข้น 0.1, 0.5, 1, 2 และ 3 M] และชนิดของสารละลายอิเล็กโตรไลต์ [ZnSO₄, ซิงค์ไตรฟลูออโรมีเทนเนลซัลโฟเนต (zinc trifluoromethylsulfonate : Zn(OTf)₂) และซิงค์คลอไรด์ (zinc chloride : ZnCl₂) ที่ความเข้มข้น 1 M ผลการจำลองพบว่าความเข้มข้นและชนิดของสารละลายอิเล็กโตรไลต์มีผลต่อการจัดเรียงตัวและการเคลื่อนที่ของ Zn²⁺ เมื่อความเข้มข้นของ ZnSO₄ สูงขึ้น ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ (diffusion coefficient) ของ Zn²⁺ มีค่าลดลง เนื่องจากการเคลื่อนที่ของ Zn²⁺ ถูกจำกัดด้วยปริมาณไอออนในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ที่มากขึ้น นอกจากนี้ที่ความเข้มข้น 2 M และ 3 M พบว่ามีการรวมตัวกันเป็นกลุ่มของไอออน ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ Zn(OTf)₂ ซึ่งที่ประกอบด้วยไอออนลบขนาดใหญ่คือ (CF₃So₃) พบว่าการเคลื่อนที่ของ Zn²⁺ ลดลงเมื่อเปรียบเทียบกับระบบของ ZnSO₄ และ ZnCl₂ จากการศึกษายังพบว่าลักษณะการจัดเรียงตัวของโมเลกุลและการจับคู่กันของไอออนในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของ Zn²⁺ ข้อมูลเชิงลึกดังกล่าวเป็นพื้นฐานความเข้าใจการเคลื่อนที่ของไอออนในสารละลายอิเล็กโตรไลต์และอาจช่วยในการพัฒนาแบตเตอรี่ให้มีสมรรถนะสูงขึ้น รวมทั้งเป็นแนวทางในออกแบบระบบแบตเตอรี่สังกะสีไอออนหรือแบตเตอรี่ประเภทอื่นได้ในอนาคต
