ระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า ได้แก่ เซลล์เชื้อเพลิง แบตเตอรี่ อิเล็กโทรไลเซอร์ และแบตเตอรี่ไหล เป็นระบบที่ทำงานผ่านปฏิสัมพันธ์อันซับซ้อนระหว่างกระบวนการขนส่ง ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า และแรงขับเคลื่อนทางอุณหพลศาสตร์ แม้ว่าสมรรถนะสูงสุดในทางทฤษฎีของระบบเหล่านี้จะถูกกำหนดโดยหลักการพื้นฐานทางอุณหพลศาสตร์ แต่ในการทำงานจริง อุปกรณ์ย่อมเกิดความสูญเสียจากจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา การขนส่งมวล การขนส่งประจุ และการถ่ายเทความร้อนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การทำความเข้าใจว่ากระบวนการเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร และมีส่วนทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากกระบวนการที่ไม่ผันกลับอย่างไร จึงเป็นสิ่งสำคัญในการระบุสาเหตุทางกายภาพของข้อจำกัดด้านสมรรถนะ และพัฒนาแนวทางในการเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงและการกักเก็บพลังงาน

ห้องปฏิบัติการของเรามุ่งศึกษาความสัมพันธ์พื้นฐานระหว่างปรากฏการณ์การขนส่ง จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยา และอุณหพลศาสตร์ โดยให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับอุณหพลศาสตร์นอกสมดุล (Nonequilibrium Thermodynamics) และการเกิดเอนโทรปี (Entropy Generation) ผ่านการศึกษาความเชื่อมโยงและการควบคู่กันของกระบวนการขนส่งความร้อน มวล และประจุ รวมถึงปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า เรามุ่งทำความเข้าใจว่าแรงขับเคลื่อนทางอุณหพลศาสตร์มีบทบาทในการกำหนดการกระจายตัวของกระบวนการทางกายภาพและเคมีภายในอุปกรณ์พลังงาน ทั้งในเชิงพื้นที่และเวลาอย่างไร โดยอาศัยการวิเคราะห์ทางทฤษฎี การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลข และการศึกษาทางการทดลอง เรามุ่งที่จะวัดและประเมินความสูญเสียจากกระบวนการที่ไม่ผันกลับ ระบุกลไกหลักที่ก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงาน และพัฒนากรอบการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบสำหรับการประเมินสมรรถนะของระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า

จากความเข้าใจดังกล่าว งานวิจัยของเรามุ่งสร้างหลักการพื้นฐานสำหรับการออกแบบที่เชื่อมโยงข้อจำกัดทางอุณหพลศาสตร์เข้ากับลักษณะเชิงโครงสร้างและสภาวะการทำงานของระบบพลังงานเคมีไฟฟ้า เราศึกษาว่าวัสดุ โครงสร้างรูพรุน เส้นทางการขนส่ง และการกระจายตัวของปฏิกิริยา ควรได้รับการออกแบบและควบคุมอย่างไร เพื่อลดความสูญเสียจากกระบวนการที่ไม่ผันกลับและเพิ่มสมรรถนะโดยรวมของระบบ ด้วยการบูรณาการองค์ความรู้ด้านอุณหพลศาสตร์ ปรากฏการณ์การขนส่ง จลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า และการออกแบบโครงสร้างให้เหมาะสมที่สุดในหลายระดับความยาว เรามุ่งพัฒนารากฐานทางวิทยาศาสตร์ที่เป็นเอกภาพสำหรับการออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์พลังงานเคมีไฟฟ้ารุ่นใหม่ ให้สามารถทำงานได้ใกล้เคียงกับขีดจำกัดทางทฤษฎีและทางอุณหพลศาสตร์มากที่สุด

Electrochemical energy systems, including fuel cells, batteries, electrolyzers, and flow batteries, operate through complex interactions among transport processes, electrochemical reactions, and thermodynamic driving forces. Although their theoretical performance is governed by fundamental thermodynamic principles, actual devices inevitably experience losses arising from reaction kinetics, mass transport, charge transport, and heat transfer. Understanding how these processes interact and contribute to irreversible energy dissipation is essential for identifying the physical origins of performance limitations and developing strategies to improve energy conversion and storage efficiency.

Our laboratory focuses on investigating the fundamental relationships among transport phenomena, reaction kinetics, and thermodynamics, with particular emphasis on nonequilibrium thermodynamics and entropy generation. By examining the coupling among heat, mass, and charge transport and electrochemical reactions, we aim to understand how thermodynamic driving forces govern the spatial and temporal distributions of physical and chemical processes within energy devices. Through theoretical analysis, numerical modeling, and experimental investigations, we seek to quantify irreversible losses, identify dominant mechanisms of energy dissipation, and establish a systematic framework for evaluating electrochemical system performance.

Building on this understanding, our research aims to establish fundamental design principles that connect thermodynamic limitations with the structural and operational characteristics of electrochemical energy systems. We investigate how materials, porous structures, transport pathways, and reaction distributions can be designed and controlled to reduce irreversible losses and enhance overall performance. By integrating thermodynamics, transport phenomena, electrochemical kinetics, and structural optimization across multiple length scales, we seek to develop a unified scientific foundation for engineering next-generation electrochemical devices that operate as closely as possible to their theoretical and thermodynamic limits.