Research

กรอบงานวิจัยด้านการขนส่ง ปฏิกิริยา และการออกแบบระบบเคมีไฟฟ้าเชิงปริภูมิและเวลา (Transport–Reaction–Thermodynamic Framework for Spatiotemporal Electrochemical Systems)

งานวิจัยของห้องปฏิบัติการมุ่งสร้างความเข้าใจพื้นฐานที่สามารถอธิบายและนำไปสู่การออกแบบอุปกรณ์พลังงานเคมีไฟฟ้ารุ่นใหม่ โดยมีคำถามหลักร่วมกันว่า โครงสร้าง การขนส่ง การไหล และปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้ามีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร และเราจะสามารถจัดการกระบวนการเหล่านี้ทั้งในเชิงพื้นที่และเวลา เพื่อให้ระบบมีสมรรถนะสูง เข้าใกล้ขีดจำกัดทางอุณหพลศาสตร์ และยังคงทำงานได้อย่างมีเสถียรภาพได้อย่างไร

Our laboratory's research aims to establish a fundamental understanding of the physical mechanisms governing electrochemical energy systems and translate this knowledge into the design of next-generation energy devices. At the core of our research lies a common scientific question: How do structure, transport, fluid flow, and electrochemical reactions interact, and how can these processes be controlled in both space and time to achieve high performance, approach thermodynamic limits, and maintain operational stability?

แม้อุปกรณ์อย่างเซลล์เชื้อเพลิง เครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แบตเตอรี่โซเดียมไอออน และแบตเตอรี่ไหล จะมีวัสดุและหลักการทำงานแตกต่างกัน แต่ในระดับพื้นฐานล้วนประกอบด้วยปัญหาร่วมกัน ได้แก่ การขนส่งมวล การขนส่งไอออนและอิเล็กตรอน การไหลของของไหล การถ่ายเทความร้อน และการเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นพร้อมกันในตำแหน่งและช่วงเวลาที่แตกต่างกัน และเป็นตัวกำหนดทั้งสมรรถนะ ประสิทธิภาพ และความเสื่อมสภาพของอุปกรณ์

Although electrochemical devices, such as fuel cells, electrolyzers, lithium-ion batteries, sodium-ion batteries, and redox flow batteries, differ in their materials, configurations, and operating principles, they share several fundamental physical processes. These include mass transport, ionic and electronic conduction, fluid flow, heat transfer, and electrochemical reactions. These processes occur simultaneously across different spatial and temporal scales, collectively determining device performance, efficiency, and degradation.

งานวิจัยจึงเริ่มต้นจากการพิจารณาความแตกต่างระหว่าง ขีดจำกัดทางทฤษฎีที่กำหนดโดยอุณหพลศาสตร์กับสมรรถนะที่เกิดขึ้นจริง โดยใช้แนวคิดเรื่องการเกิดเอนโทรปี หรือ entropy generation เป็นเครื่องมือในการระบุแหล่งของความไม่ผันกลับและความสูญเสียภายในระบบ การวิเคราะห์ดังกล่าวช่วยแยกความสูญเสียจากการแพร่ การไหล การขนส่งประจุ การถ่ายเทความร้อน และปฏิกิริยาออกจากกัน ทำให้สามารถตอบได้ไม่เพียงว่าอุปกรณ์สูญเสียพลังงานมากเพียงใด แต่ยังสามารถระบุได้ว่า ความสูญเสียนั้นเกิดขึ้นที่ใด เกิดจากกลไกใด และควรปรับเปลี่ยนโครงสร้างหรือสภาวะการทำงานในลักษณะใดเพื่อลดความสูญเสียดังกล่าว

Our research therefore begins by examining the gap between the theoretical limits imposed by thermodynamics and the actual performance achieved in engineering systems. We employ the concept of entropy generation to identify the sources of irreversibility and energy losses within electrochemical devices. This thermodynamic approach allows us to distinguish losses associated with diffusion, fluid flow, charge transport, heat transfer, and electrochemical reactions. Consequently, rather than simply quantifying how much energy is lost, we seek to understand where these losses occur, which physical mechanisms are responsible, and how device structures or operating conditions can be modified to minimize them.

จากความเข้าใจเชิงอุณหพลศาสตร์และการขนส่งนี้ งานวิจัยจึงก้าวต่อไปสู่การค้นหา สถาปัตยกรรมของอุปกรณ์ที่เหมาะสม โดยใช้การหาทอพอโลยีที่เหมาะสมที่สุด หรือ topology optimization เป็นหนึ่งในเครื่องมือสำคัญ แนวทางนี้แตกต่างจากการออกแบบรูปทรงด้วยประสบการณ์หรือการทดลองรูปแบบที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เพราะแบบจำลองสามารถสร้างรูปทรงและการกระจายตัวของวัสดุขึ้นจากสมการทางฟิสิกส์ เงื่อนไขขอบเขต และวัตถุประสงค์ของระบบโดยตรง เช่น การเพิ่มอัตราปฏิกิริยา การเพิ่มการเข้าถึงของสารตั้งต้น การลดความต้านทานการขนส่ง หรือการลดการเกิดเอนโทรปี

Building upon this understanding of thermodynamics and transport phenomena, our research extends toward identifying optimal device architectures, with topology optimization serving as one of our key design methodologies. Unlike conventional approaches that rely on engineering intuition or predefined geometric configurations, topology optimization enables material distributions and structural configurations to emerge directly from governing physical equations, boundary conditions, and performance objectives. These objectives may include maximizing reaction rates, improving reactant accessibility, reducing transport resistance, or minimizing entropy generation.

โครงสร้างที่เกิดขึ้นจากการออกแบบอาจมีลักษณะเป็นเครือข่าย แตกแขนง หรือคล้ายระบบการขนส่งที่พบในธรรมชาติ โดยบางบริเวณทำหน้าที่เป็นเส้นทางหลักสำหรับการขนส่ง ขณะที่อีกบริเวณหนึ่งทำหน้าที่รองรับการเกิดปฏิกิริยา ลักษณะดังกล่าวสะท้อนแนวคิดสำคัญของงานวิจัยว่า โครงสร้างที่เหมาะสมไม่ควรถูกพิจารณาแยกจากฟิสิกส์ของการขนส่งและปฏิกิริยา แต่ควรเป็นผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจากการประสานกันของกระบวนการเหล่านั้น

The resulting structures may exhibit interconnected networks, branching patterns, or architectures resembling natural transport systems. Certain regions may function as primary transport pathways, while others provide favorable environments for electrochemical reactions. These characteristics reflect a central principle of our research: Optimal structures should not be designed independently of the underlying transport and reaction physics; rather, they should emerge from the coordinated interactions of these processes.

แนวคิดนี้นำไปสู่การศึกษา อิเล็กโทรดแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน หรือ heterogeneous electrode structures เนื่องจากอิเล็กโทรดจริงไม่ได้มีความพรุน ขนาดรูพรุน ความคดเคี้ยว การนำไอออน การนำอิเล็กตรอน หรือความสามารถในการเกิดปฏิกิริยาเหมือนกันทุกตำแหน่ง การออกแบบอิเล็กโทรดจึงไม่จำเป็นต้องมุ่งสร้างความสม่ำเสมอเสมอไป แต่สามารถใช้ความไม่สม่ำเสมออย่างมีแบบแผนเป็นเครื่องมือในการเพิ่มสมรรถนะได้

This concept naturally leads to the investigation of heterogeneous electrode structures. In practical electrochemical systems, electrode properties are rarely uniform throughout the entire domain. Porosity, pore size, tortuosity, ionic conductivity, electronic conductivity, and electrochemical activity can vary significantly with position. Therefore, electrode design does not necessarily need to pursue structural uniformity. Instead, deliberately engineered heterogeneity can be exploited to enhance transport, distribute reactions more effectively, and improve overall device performance.

งานวิจัยไม่ได้พิจารณาเพียง spatial structure หรือการจัดวางโครงสร้างในเชิงพื้นที่เท่านั้น แต่ขยายไปสู่แนวคิดของ spatiotemporal engineering ซึ่งพิจารณาว่าการขนส่งและปฏิกิริยาควรได้รับการจัดการทั้งในมิติของ “ตำแหน่ง” และ “เวลา” อย่างไร

Our research extends beyond spatial structure optimization toward the broader concept of spatiotemporal engineering, in which transport and electrochemical reactions are strategically managed in both space and time.

ในมิติเชิงพื้นที่ เราสามารถออกแบบความพรุน การกระจายของวัสดุออกฤทธิ์ เส้นทางการไหล หรือเครือข่ายการขนส่งให้แตกต่างกันตามตำแหน่ง ในขณะที่มิติเชิงเวลาสามารถควบคุมการไหล กระแสไฟฟ้า ความดัน ความเข้มข้น หรือสภาวะการทำงานให้เปลี่ยนแปลงตามเวลา ตัวอย่างเช่น การใช้การไหลแบบพัลส์ในเซลล์เชื้อเพลิงหรือเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ สามารถเปลี่ยนลักษณะของชั้นขอบเขตและการขนส่งสารตามเวลา ขณะที่รูปแบบการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่สามารถส่งผลต่อการกระจายตัวของความเข้มข้น ปฏิกิริยา และการเสื่อมสภาพภายในอิเล็กโทรดได้

From a spatial perspective, properties such as porosity, active material distribution, flow pathways, and transport networks can be tailored according to their positions within a device. From a temporal perspective, operating parameters such as fluid flow rate, electrical current, pressure, concentration, and other operating conditions can be dynamically controlled. For example, pulsating flow in fuel cells or electrolyzers can modify boundary-layer behavior and time-dependent mass transport, while battery charging and discharging protocols can influence concentration distributions, reaction nonuniformity, and degradation processes within electrodes.

ดังนั้น เป้าหมายของการออกแบบจึงไม่ใช่เพียงการค้นหา “โครงสร้างที่ดีที่สุด” แต่คือการค้นหาว่า โครงสร้างแบบใดควรทำงานร่วมกับสภาวะการทำงานแบบใด และในช่วงเวลาใด เพื่อให้การขนส่งและปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างเหมาะสมที่สุด

Accordingly, the design objective is not simply to identify the "best structure," but rather to determine which structure should operate under which conditions, and at what time, to achieve the most favorable coupling between transport and reaction processes.

กรอบความคิดนี้ถูกนำไปประยุกต์กับอุปกรณ์เคมีไฟฟ้าหลายประเภท ภายใต้คำถามทางฟิสิกส์เดียวกัน 

This unified framework is applied across various electrochemical energy technologies, guided by the same underlying physical questions.

สำหรับเซลล์เชื้อเพลิง งานวิจัยมุ่งศึกษาการขนส่งออกซิเจนและไฮโดรเจน การจัดการน้ำ การไหลของก๊าซ และปฏิกิริยาภายในชั้นแพร่ก๊าซและชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา รวมถึงการใช้การไหลที่เปลี่ยนแปลงตามเวลาเพื่อส่งเสริมการขนส่ง 

For fuel cells, our research investigates hydrogen and oxygen transport, water management, gas flow, and electrochemical reactions within gas diffusion layers and catalyst layers. Particular attention is given to the use of time-dependent flow conditions to enhance mass transport and improve electrochemical performance.

สำหรับเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์ งานวิจัยมุ่งออกแบบโครงสร้างสามมิติที่สามารถสร้างสมดุลระหว่างพื้นที่สำหรับปฏิกิริยา การขนส่งไอออนและอิเล็กตรอน การไหลของอิเล็กโทรไลต์ และการระบายก๊าซที่เกิดขึ้น

For electrolyzers, our research focuses on designing three-dimensional electrode architectures that balance electrochemically active surface area, ionic and electronic transport, electrolyte flow, and the removal of generated gases. The objective is to develop electrode structures that simultaneously promote electrochemical reactions and reduce transport-related limitations.

ในระบบแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนและโซเดียมไอออน งานวิจัยมุ่งเชื่อมโยงโครงสร้างอิเล็กโทรดกับการขนส่งไอออนและอิเล็กตรอน การกระจายตัวของปฏิกิริยา และการเปลี่ยนแปลงของวัสดุระหว่างการชาร์จและคายประจุ โดยเฉพาะอิเล็กโทรดที่มีความหนาหรือมีปริมาณวัสดุออกฤทธิ์สูง ซึ่งสามารถเพิ่มความหนาแน่นพลังงาน แต่ในขณะเดียวกันอาจเพิ่มข้อจำกัดด้านการขนส่งและทำให้เกิดความไม่สม่ำเสมอของปฏิกิริยาและการเสื่อมสภาพ 

For lithium-ion and sodium-ion batteries, our research aims to establish relationships between electrode microstructures, ionic and electronic transport, reaction distributions, and material evolution during charging and discharging. Particular emphasis is placed on thick electrodes and high-active-material-loading configurations, which offer opportunities to increase energy density but may also introduce severe transport limitations, heterogeneous reaction distributions, and accelerated degradation.

ส่วนในแบตเตอรี่ไหล งานวิจัยมุ่งศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างสนามการไหล การขนส่งไอออน และการกระจายตัวของปฏิกิริยาภายในอิเล็กโทรดพรุน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่

For redox flow batteries, our research examines the interactions among flow fields, ionic transport, and electrochemical reaction distributions within porous electrodes. These investigations aim to improve the efficiency and performance of large-scale electrochemical energy storage systems.

องค์ประกอบสำคัญที่เชื่อมโยงการสร้างแบบจำลอง การออกแบบ และการทดลองทั้งหมดเข้าด้วยกันคือการศึกษา Electrochemical Signatures หรือลักษณะเฉพาะของการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้า

A critical element connecting our modeling, design, and experimental investigations is the study of Electrochemical Signatures, which represent the characteristic electrochemical responses of energy devices.

ในมุมมองของห้องปฏิบัติการ Electrochemical Signature ไม่ได้ถูกใช้เพียงเพื่อบอกว่าอุปกรณ์ “ทำงานดีหรือไม่ดี” แต่ถูกมองว่าเป็น ลายเซ็นของกระบวนการภายในระบบ กล่าวคือ พฤติกรรมของแรงดัน กระแส อิมพีแดนซ์ หรือประจุที่วัดได้จากภายนอก เป็นผลรวมของกระบวนการจำนวนมากที่เกิดขึ้นภายใน ไม่ว่าจะเป็นการถ่ายโอนประจุ การขนส่งไอออน การแพร่ของสาร การสะสมหรือการลดลงของความเข้มข้น การเกิดปฏิกิริยาบนพื้นผิว รวมถึงการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างและวัสดุตามเวลา

From our laboratory's perspective, an electrochemical signature is not merely an indicator of whether a device performs well or poorly. Instead, it is regarded as a fingerprint of the underlying physical and electrochemical processes occurring within the system. Measurable external responses, such as voltage, current, impedance, and charge, arise from the combined effects of multiple internal processes, including charge transfer, ionic conduction, species diffusion, concentration accumulation and depletion, surface electrochemical reactions, and time-dependent changes in electrode structures and materials.

การวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้า (Electrochemical Signatures) จึงเป็นสะพานเชื่อมระหว่าง สิ่งที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์ซึ่งไม่สามารถมองเห็นได้โดยตรง กับสัญญาณทางไฟฟ้าที่สามารถวัดได้จากภายนอก

The analysis of electrochemical signatures therefore provides a bridge between internal physical processes that cannot be directly observed and electrical responses that can be experimentally measured.

เมื่อข้อมูลการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าถูกนำมาพิจารณา จะสามารถสร้าง electrochemical fingerprint ของอุปกรณ์ภายใต้โครงสร้างและสภาวะการทำงานที่แตกต่างกันได้ จุดสำคัญคือข้อมูลเหล่านี้ไม่ได้ถูกใช้แยกจากแบบจำลอง แต่ถูกนำมาเชื่อมโยงกลับไปยัง สมการการขนส่งและปฏิกิริยา เพื่อระบุว่าพารามิเตอร์หรือกลไกใดเป็นตัวควบคุมการตอบสนองที่สังเกตได้ 

By examining electrochemical responses under different structural configurations and operating conditions, it becomes possible to establish characteristic electrochemical fingerprints of individual devices. Importantly, these measurements are not interpreted independently of physical models. Instead, they are integrated with the governing equations of transport and electrochemical reactions to identify the parameters and physical mechanisms responsible for the observed responses.

ในระยะยาว เป้าหมายคือการสร้างกรอบความเข้าใจแบบบูรณาการ Thermodynamics → Transport → Reaction → Spatiotemporal Structure → Performance → Optimization → Electrochemical Signature 

In the long term, our objective is to establish an integrated scientific framework connecting:  Thermodynamics → Transport → Reaction → Spatiotemporal Structure → Performance → Optimization → Electrochemical Signature

กรอบแนวคิดนี้มุ่งสร้างความเชื่อมโยงแบบสองทิศทางระหว่างการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าที่สามารถตรวจวัดได้กับกลไกทางกายภาพที่ควบคุมพฤติกรรมของอุปกรณ์ กล่าวคือ ในทิศทางหนึ่ง เราสามารถวิเคราะห์และตีความลักษณะเฉพาะของการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้า ที่ได้จากการทดลอง เพื่อศึกษากระบวนการภายในที่เป็นตัวกำหนดสมรรถนะและการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ ขณะที่ในอีกทิศทางหนึ่ง องค์ความรู้ที่ได้จากแบบจำลองทางฟิสิกส์พื้นฐานสามารถนำมาใช้เป็นแนวทางในการออกแบบวัสดุ โครงสร้างอิเล็กโทรด สนามการไหล และรูปแบบการทำงานใหม่ ๆ ได้ ที่สำคัญ แนวทางนี้ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงเทคโนโลยีเคมีไฟฟ้าประเภทใดประเภทหนึ่ง แต่มีเป้าหมายเพื่อค้นหาหลักการพื้นฐานที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้ร่วมกันกับระบบกักเก็บและแปลงพลังงานประเภทต่าง ๆ ได้

This framework aims to establish a two-way connection between measurable electrochemical responses and the physical mechanisms governing device behavior. On one hand, experimentally observed signatures can be interpreted to investigate the internal processes responsible for device performance and degradation. On the other hand, insights obtained from fundamental physical models can guide the design of new materials, electrode architectures, flow fields, and operating strategies. Importantly, this approach is not restricted to any particular electrochemical technology but seeks to identify principles that can be transferred across different energy storage and conversion systems.

ท้ายที่สุด งานวิจัยของเราไม่ได้มุ่งเพียงการเพิ่มสมรรถนะของเซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ หรือเครื่องอิเล็กโทรไลเซอร์แต่ละประเภทเท่านั้น แต่ยังมุ่งสร้างหลักการออกแบบร่วมกันสำหรับระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า โดยมุ่งอธิบายว่าโครงสร้าง การไหลของของไหล กระบวนการขนส่ง และปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ควรได้รับการจัดวางและควบคุมอย่างไรทั้งในเชิงพื้นที่และเวลา เพื่อให้ระบบสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดnnด้วยการบูรณาการองค์ความรู้ด้านอุณหพลศาสตร์ ปรากฏการณ์การขนส่ง จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา การออกแบบโครงสร้างที่เหมาะสมที่สุด และการวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้า เรามุ่งสร้างรากฐานทางวิทยาศาสตร์ที่ช่วยให้นักวิจัยสามารถตีความและตรวจสอบความถูกต้องของกลไกทางกายภาพที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์ และนำความเข้าใจเหล่านั้นไปสู่การออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์เคมีไฟฟ้ารุ่นใหม่ที่สามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางฟิสิกส์และอุณหพลศาสตร์มากที่สุด

Ultimately, our research goes beyond improving the performance of individual fuel cells, batteries, or electrolyzers. We seek to establish unifying design principles for electrochemical energy systems that explain how structures, fluid flow, transport processes, and electrochemical reactions should be organized and controlled across space and time. By integrating thermodynamics, transport phenomena, reaction kinetics, structural optimization, and electrochemical signatures, we aim to develop a scientific foundation that enables researchers to interpret, validate, and ultimately engineer next-generation electrochemical devices operating as closely as possible to their physical and thermodynamic limits.