Development of Carbon Nanofiber Composite Materials for Supercapacitors in Energy Storage

This study presents the development of carbon-based multiphase metal oxide nanocomposites (CNF@MOx; M = Ag, Mn, Bi, Fe) incorporating silver, manganese, bismuth, and iron nanoparticles within polyacrylonitrile (PAN)-derived carbon nanofibers. These nanocomposites were fabricated via the electrospinning technique followed by annealing in an argon atmosphere. The resulting nanofibers exhibited a uniform structure, with diameters ranging from 559 to 830 nm and embedded nanoparticles of 9-21 nm. Structural characterization confirmed the presence of various oxidation states of metal oxides, which play a crucial role in charge storage mechanisms. Electrochemical performance testing demonstrated that CNF@Ag/Mn/Bi/Fe-20 achieved the highest specific capacitance of 156 F g⁻¹ at a scan rate of 2 mV s⁻¹ and exhibited excellent cycling stability, retaining over 96% of its capacitance after 1400 charge-discharge cycles. The synergistic combination of electric double-layer capacitance and redox-based charge storage enhances the performance of these nanofibers as promising electrode materials for supercapacitor applications.

ในปัจจุบัน ความต้องการใช้พลังงานสะอาดและเทคโนโลยีการเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง เนื่องจากแหล่งพลังงานดั้งเดิม เช่น น้ำมันและถ่านหิน มีข้อจำกัดด้านทรัพยากรและก่อให้เกิดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ตัวเก็บประจุยิ่งยวด (Supercapacitor) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะอุปกรณ์เก็บพลังงานที่มีความสามารถในการชาร์จ-คายประจุได้อย่างรวดเร็ว อายุการใช้งานยาวนาน และมีเสถียรภาพสูง อย่างไรก็ตาม ข้อจำกัดหลักของตัวเก็บประจุยิ่งยวดในปัจจุบันคือความสามารถในการเก็บพลังงานที่ต่ำเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ ทำให้เกิดความจำเป็นในการพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น โครงงานนี้มุ่งเน้นการพัฒนา เส้นใยนาโนคาร์บอนผสมออกไซด์ของโลหะหลายเฟส (CNF@MOx; M = Ag, Mn, Bi, Fe) โดยใช้เทคนิคอิเล็กโทรสปินนิ่งและกระบวนการแคลไซน์ เพื่อเพิ่มความสามารถในการเก็บประจุของตัวเก็บประจุยิ่งยวด วัสดุที่ได้มีศักยภาพในการรวมกลไกการเก็บพลังงานแบบชั้นคู่ไฟฟ้า (Electric Double Layer Capacitance; EDLC) และกระบวนการรีดอกซ์ (Pseudocapacitance) ซึ่งช่วยเพิ่มค่าความจุจำเพาะและประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุ เหตุผลที่ทำโครงการนี้ 1. ตอบสนองต่อความต้องการเทคโนโลยีการเก็บพลังงานที่มีประสิทธิภาพสูง – การพัฒนาตัวเก็บประจุยิ่งยวดที่สามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้น จะช่วยให้สามารถนำไปใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และระบบพลังงานหมุนเวียนได้ดีขึ้น 2. การพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดที่มีต้นทุนต่ำและมีประสิทธิภาพสูง – วัสดุที่พัฒนาขึ้นในโครงการนี้ใช้เส้นใยนาโนคาร์บอนร่วมกับโลหะออกไซด์ ซึ่งเป็นวัสดุที่มีต้นทุนต่ำและสามารถผลิตได้ในปริมาณมาก 3. เพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของเทคโนโลยีตัวเก็บประจุยิ่งยวด – การปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุอิเล็กโทรดจะช่วยให้ตัวเก็บประจุยิ่งยวดสามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ดีขึ้นในแง่ของประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน 4. มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมพลังงานและอิเล็กทรอนิกส์ – วัสดุที่พัฒนาขึ้นสามารถนำไปใช้ในระบบกักเก็บพลังงาน หม้อแปลงไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และยานยนต์ไฟฟ้า โครงการนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการช่วยพัฒนาเทคโนโลยีตัวเก็บประจุยิ่งยวดและส่งเสริมการใช้พลังงานสะอาดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น