การออกแบบและพัฒนาระบบการผลิตสารละลายอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) สำหรับแบตเตอรี่แบบไหล(VRFB) ด้วยผงวานาเดียมเพนทอกไซด์

ระบบกักเก็บพลังงาน (Energy storage system) ที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นปัจจัยสำคัญที่ใช้ในการกักเก็บและนำไปใช้ของพลังงานหมุนเวียน (Renewable energy) ที่มีความต้องการที่สูงขึ้นในปัจจุบัน [1-4] แบตเตอรี่วานาเดียมรีดอกซ์ (Vanadium Redox Flow Batteries: VRFBs) ได้รับการเสนอเป็นหนึ่งในทางออกจากปัญหาดังกล่าว โดย VRFB มีประสิทธิภาพในการกักเก็บพลังงานในระดับมหาภาพ นอกจากนี้ยังมีความปลอดภัย, ความทนทาน, และความยืดหยุ่นในการใช้งาน [5-12] อย่างไรก็ตามการนำแบตเตอรี่ชนิดนี้มาใช้ยังคงถูกจำกัดด้วยต้นทุนของสารละลายอิเล็กโทรไลต์วานาเดียมที่มีราคาสูง โดยค่าใช้จ่ายของสารอิเล็กโทรไลต์ดังกล่าวคิดเป็นร้อยละ 40-50 ของค่าใช้จ่ายทั้งหมดของระบบ VRFB [13, 14] วานาเดียมเพนทอกไซด์ (Vanadium pentoxide: V₂O₅) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในการนำมาศึกษาเพื่อนำมาใช้สังเคราะห์อิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากมีต้นทุนต่ำและมีความเสถียรสูง [15] ทว่าการละลายของสาร V₂O₅ ยังคงเป็นปัญหาในการผลิตสารละลายอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม โดยเฉพาะการละลายในกรดซัลฟิวริก (Sulfuric acid: H₂SO₄) ในปริมาณต่ำ ดังนั้นความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์จึงมีค่าต่ำ ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการกักเก็บพลังงานของ VRFB ต่ำลง [16-19]

งานวิจัยที่เกี่ยวข้องในการปรับปรุงความสามารถในการละลายของ V₂O₅ ใน H₂SO₄ และเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) Rahman และ Skyllas-Kazacos (2022) แสดงการเพิ่มความเข้มข้นของตัวทำละลาย H₂SO₄ และการลดอุณหภูมิในการละลายนั้น สามารถเพิ่มความสามารถในการละลายของ V₂O₅ ได้ อย่างไรก็ตามความเข้มข้นของกรดที่สูงเกินไปและอุณหภูมิที่ต่ำเกินไป อาจส่งผลทำให้เกิดการตกตะกอนของวานาเดียมชนิดอื่น ๆ ระหว่างการใช้งาน VRFB [20, 21] Martin และคณะ (2020) แสดงเทคนิคการละลายอย่างรวดเร็วสำหรับผง V₂O₅ โดยใช้สารละลายผสมของวานาเดียม(III) และวานาเดียม(IV) ที่ได้จากอิเล็กโทรไลเซอร์เชิงพาณิชย์ นอกจากนี้ยังแสดงกระบวนการในการผลิตสารละลายวานาเดียม(III) จากปฏิกิริยาการรีดักชันของสารละลายวานาเดียม(V) ด้วยเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ ถึงแม้ว่าวิธีดังกล่าวสามารถลดต้นทุนในการผลิตสารละลายอิเล็กโทรไลต์ แต่ประสิทธิภาพในการผลิตยังคงต้องได้รับปรับปรุง [15] ดังนั้นการวิจัยดังกล่าวต้องได้รับการศึกษาเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ พร้อมทั้งลดต้นทุนและเวลาในการผลิตอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม

งานวิจัยนี้มีเป้าหมายเพื่อสร้างระบบอัตโนมัติที่สามารถผลิตอิเล็กโทรไลต์นี้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และปรับปรุงความสามารถในการละลายของ V₂O₅ ในสารละลาย H₂SO₄ สำหรับการผลิตอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) ด้วยการลดต้นทุนและเวลา เพื่อให้ได้ความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) ที่ 1.5 M ใน H₂SO₄ ที่มีความเข้มข้น 3 M เพิ่มความสามารถในการกักเก็บพลังงานของ VRFB อย่างมีนัยสำคัญ [6] โดยความเข้มข้นของอิเล็กโทรไลต์ดังกล่าวจะถูกวัดด้วย 
สเปกโตรโฟโตมิเตอร์ (UV-Visible spectroscopy: UV-Vis) เพื่อให้ได้รับผลที่แม่นยำและมีความน่าเชื่อถือ [22, 23]

อุปกรณ์และเครื่องมือที่ใช้ในการทดลอง ประกอบด้วยเครื่องผสมพร้อมอ่างควบคุมอุณหภูมิ (Mixer with a temperature-controlled bath), ถังเก็บวานาเดียม (Vanadium storage tank), และเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ โดยเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ถูกออกแบบมาเพื่อให้เปลี่ยนสารละลายวานาเดียม(V) ให้เป็นสารละลายวานาเดียม(III) ซึ่งสารละลายนี้จะถูกนำกลับไปใช้อีกครั้งในเครื่องผสมเพื่อละลายผงวานาเดียม(V) ให้เป็นสารละลายวานาเดียม(IV) วิธีการทดลองทั้งหมดประกอบไปด้วยขั้นตอนต่าง ๆ ดังนี้

1. การทดลองผสมวานาเดียม(V)ที่ความเข้มข้นเริ่มต้น: เติมผง V₂O₅ ลงในสารละลาย H₂SO₄ ที่มีความเข้มข้นอยู่ที่ 3 M ให้ได้ความเข้มข้นของสารละลายวานาเดียม(V)ที่ 0.2 M โดยควบคุมอุณหภูมิที่ 10°C จับเวลาที่ใช้ในการละลาย
2. การสังเคราะห์วานาเดียม(III): สารละลาย V₂O₅ ที่ละลายแล้วทั้งหมดจะถูกส่งไปยังเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ เพื่อเปลี่ยนเป็นสารละลายวานาเดียม(III) ทำการวัดความเข้มข้นด้วน UV-Vis เพื่อคำนวณปริมาณน้ำที่เกิดขึ้นในกระบวนการชาร์จของเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์
3. การผสมวานาเดียม(III) ที่หมุนเวียน: สารละลายวานาเดียม(III) ที่เกิดขึ้นจะถูกป้อนกลับเข้าไปในเครื่องผสม จากนั้นผง V₂O₅ จะถูกเติมลงในสารละลายนี้เพื่อผลิตอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) ที่มีความเข้มข้นตามเป้าหมายที่ 1.5 M
4. การทดสอบความเข้มข้นของวานาเดียม(IV): ความเข้มข้นของสารละลายวานาเดียม(IV) ที่ผลิตได้จะถูกทดสอบโดยใช้ UV-Vis
5. การทดสอบการกักเก็บพลังงาน: ประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) ที่ผลิตได้จากการอิเล็กโทรลิซิสจะถูกวัดและเปรียบเทียบกับอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด
6. การดำเนินงานของกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง: ระบบแบบต่อเนื่องจะถูกทดสอบเพื่อให้มั่นใจว่าสามารถดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพและสม่ำเสมอ

งานวิจัยนี้คาดว่าจะช่วยลดต้นทุนการผลิตอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งคาดว่าจะช่วยเพิ่มความเป็นไปได้ในการผลิตสารละลายดังกล่าวทางการค้าเพื่อใช้ใน VRFB ผลลัพธ์ที่ได้จะมีส่วนช่วยในการพัฒนาเทคโนโลยี VRFB โดยปรับปรุงความสามารถในการปรับขนาดและความคุ้มค่าในการผลิตอิเล็กโทรไลต์วานาเดียม(IV) ซึ่งจะช่วยสนับสนุนการนำระบบกักเก็บพลังงานจากพลังงานหมุนเวียนมาใช้ในวงกว้างมากขึ้น