Electroanalytical Techniques

ระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ อิเล็กโทรไลเซอร์ และแบตเตอรี่ไหล มีพฤติกรรมการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าที่ซับซ้อน ซึ่งสะท้อนถึงปฏิสัมพันธ์ระหว่างจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา การขนส่งมวล การขนส่งประจุ และคุณสมบัติของวัสดุ เทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้า (Electroanalytical Techniques) เช่น ไซคลิกโวลแทมเมทรี (Cyclic Voltammetry: CV) ลิเนียร์สวีปโวลแทมเมทรี (Linear Sweep Voltammetry: LSV) อิเล็กโทรเคมิคัลอิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปี (Electrochemical Impedance Spectroscopy: EIS) และการวัดการตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าแบบชั่วครู่ (Transient Electrochemical Measurements) สามารถให้ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับพฤติกรรมและกระบวนการที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์เหล่านี้ อย่างไรก็ตาม การตีความผลการวัดยังคงเป็นความท้าทาย เนื่องจากกระบวนการทางกายภาพและเคมีไฟฟ้าหลายชนิดอาจส่งผลต่อสัญญาณตอบสนองที่ตรวจวัดได้พร้อมกัน ดังนั้น การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างสัญญาณตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าที่สามารถตรวจวัดได้ (Electrochemical Signatures) กับกลไกพื้นฐานที่ก่อให้เกิดสัญญาณเหล่านั้น จึงมีความสำคัญต่อการประเมินสมรรถนะของอุปกรณ์ การระบุกระบวนการเสื่อมสภาพ และการทำความเข้าใจข้อจำกัดในการทำงานของระบบ

ห้องปฏิบัติการของเรามุ่งพัฒนาและประยุกต์ใช้เทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้า เพื่อศึกษากลไกพื้นฐานที่ควบคุมพฤติกรรมของระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า โดยบูรณาการการวัดและการทดลองเข้ากับการวิเคราะห์ทางทฤษฎี การสร้างแบบจำลองทางเคมีไฟฟ้า และการจำลองเชิงตัวเลข เพื่อสร้างความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างสัญญาณตอบสนองทางเคมีไฟฟ้ากับกระบวนการทางกายภาพที่เป็นต้นกำเนิดของสัญญาณเหล่านั้น งานวิจัยของเราให้ความสำคัญกับการตีความการตอบสนองของแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า อิมพีแดนซ์ และการตอบสนองแบบชั่วครู่ เพื่อแยกแยะบทบาทและอิทธิพลของจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา การขนส่งมวล การขนส่งประจุ และปรากฏการณ์อื่น ๆ ที่เกิดควบคู่กัน ผ่านการศึกษาเหล่านี้ เรามุ่งเพิ่มความน่าเชื่อถือของการวิเคราะห์คุณลักษณะทางเคมีไฟฟ้า ระบุสาเหตุของความสูญเสียด้านสมรรถนะ และพัฒนาแนวทางการวินิจฉัยที่อาศัยหลักการทางฟิสิกส์ (Physics-Based Diagnostics) เพื่อประเมินสภาวะภายในและกลไกการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์พลังงานเคมีไฟฟ้า

จากความเข้าใจดังกล่าว งานวิจัยของเรามุ่งสร้างความเชื่อมโยงแบบสองทิศทาง (Two-Way Connection) ระหว่างสัญญาณตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าที่สามารถตรวจวัดได้กับกลไกพื้นฐานที่ควบคุมพฤติกรรมของอุปกรณ์ ในทิศทางหนึ่ง เราสามารถตีความสัญญาณที่ได้จากการทดลองเพื่อระบุและประเมินเชิงปริมาณถึงกระบวนการภายในที่ส่งผลต่อสมรรถนะและการเสื่อมสภาพของอุปกรณ์ ในอีกทิศทางหนึ่ง เราสามารถใช้แบบจำลองที่อาศัยหลักการทางฟิสิกส์ (Physics-Based Models) เพื่อทำนายว่าการเปลี่ยนแปลงของวัสดุ โครงสร้างขั้วไฟฟ้า สภาวะการทำงาน และระดับการเสื่อมสภาพ ส่งผลต่อสัญญาณตอบสนองทางเคมีไฟฟ้าที่ตรวจวัดได้อย่างไร ด้วยการบูรณาการเทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้าเข้ากับองค์ความรู้ด้านปรากฏการณ์การขนส่ง จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า และหลักการทางอุณหพลศาสตร์ เรามุ่งพัฒนากรอบการวิเคราะห์ที่เป็นเอกภาพสำหรับการตีความ การตรวจสอบความถูกต้อง และการทำนายพฤติกรรมของระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า เพื่อนำไปสู่การวินิจฉัยสภาวะของอุปกรณ์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น การออกแบบโครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น และการปรับปรุงสมรรถนะของระบบให้เหมาะสมที่สุด

Electrochemical energy systems, including fuel cells, batteries, electrolyzers, and flow batteries, exhibit complex electrochemical responses that reflect the interactions among reaction kinetics, mass transport, charge transport, and material properties. Electroanalytical techniques, such as cyclic voltammetry (CV), linear sweep voltammetry (LSV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and various transient electrochemical measurements, provide valuable information about the internal behavior of these devices. However, interpreting these measurements remains challenging because multiple physical and electrochemical processes often contribute to the observed responses simultaneously. Understanding the relationships between measurable electrochemical signatures and their underlying mechanisms is therefore essential for evaluating device performance, identifying degradation processes, and revealing operational limitations.

Our laboratory focuses on developing and applying electroanalytical approaches to investigate the fundamental mechanisms governing electrochemical energy systems. By integrating experimental measurements with theoretical analysis, electrochemical modeling, and numerical simulation, we aim to establish quantitative relationships between electrochemical signatures and the physical processes responsible for their formation. Our research emphasizes the interpretation of voltage, current, impedance, and transient responses to distinguish the contributions of reaction kinetics, mass transport, charge transport, and other coupled phenomena. Through these investigations, we seek to improve the reliability of electrochemical characterization, identify the origins of performance losses, and develop physics-based approaches for diagnosing the internal states and degradation mechanisms of electrochemical devices.

Building on this understanding, our research aims to establish a two-way connection between measurable electrochemical responses and the fundamental mechanisms governing device behavior. On one hand, experimentally observed signatures can be interpreted to identify and quantify the internal processes responsible for device performance and degradation. On the other hand, physics-based models can be used to predict how changes in materials, electrode structures, operating conditions, and degradation states influence measurable electrochemical responses. By combining electroanalytical techniques with transport phenomena, electrochemical kinetics, and thermodynamic principles, we seek to develop a unified framework for interpreting, validating, and predicting the behavior of electrochemical energy systems, ultimately supporting more accurate diagnostics, improved structural design, and performance optimization.