แบทเตอรี หัวใจของยานยนต์ไฟฟ้า

“แบทเตอรี” นับเป็นองค์ประกอบสำคัญที่สุดที่จะทำให้การพัฒนายานยนต์ไฟฟ้าไปถึงฝั่งฝัน และเรื่องราวของแบทเตอรีเอง ก็ยังเต็มไปด้วยความสับสนในหมู่มหาชนอีกไม่น้อย ทั้งเรื่องประสิทธิภาพในการใช้งาน และความปลอดภัย ดังที่เราได้ยินอยู่เนืองๆ เรื่องของแบทเตอรีระเบิดในสมาร์ทโฟนบแรนด์ดัง ทำให้เริ่มกังวลว่า รถที่มีแบทเตอรีเต็มคันจะระเบิดได้หรือไม่ ?   ก่อนจะกล่าวถึงเรื่องของแบทเตอรีกับการใช้งานในยานพาหนะ เราต้องศึกษาปัจจัยที่ส่งผลต่อการพัฒนาแบทเตอรีในยุคปัจจุบันดังนี้   1. มีความต้องการแบทเตอรีที่มี “ความจุพลังงาน” สูงขึ้น เนื่องจากมีความต้องการอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กลง อาทิ   สมาร์ทโฟนที่มีความบางลงเรื่อยๆ ทำให้พื้นที่ของแบทเตอรีน้อยลง ดังนั้นแบทเตอรีในอนาคตจะเล็กลงแต่ “ความจุ” เท่าเดิมหรือมากขึ้น นั่นก็คือการ “เพิ่มความจุต่อปริมาตร” ให้สูงขึ้น มีหน่วยเป็น วัตต์-ชั่วโมง/ลิตร (WATT-HOUR/LITRE: WH/L) หรือ ความจุต่อน้ำหนัก วัตต์-ชั่วโมง/กิโลกรัม (WATT-HOUR/KILOGRAM: WH/KG)   2. มีความต้องการให้รถยนต์ไฟฟ้า รวมไปถึง อากาศยานไฟฟ้าทั้งแบบไร้คนขับ และมีคนขับ สามารถวิ่งได้ไกลขึ้น จึงจำเป็นต้องลดน้ำหนักของระบบลง ซึ่งน้ำหนักส่วนแรกที่จะลดก็คือ น้ำหนักของแบทเตอรีนั่นเอง   3. มีความต้องการพัฒนาให้แบทเตอรีมีอายุการใช้งานเพิ่มขึ้น และเสื่อมประสิทธิภาพช้าลง (CYCLE LIFE)   4. มีความต้องการลดต้นทุนการผลิตให้ต่ำลง   5. มีความปลอดภัยมากขึ้น   6. มีความต้องการลดปริมาณของการใช้โลหะหนัก เพื่อลดปัญหาสิ่งแวดล้อม   และอีกสิ่งที่ควรรู้นั่น ก็คือ ศัพท์ต่างๆ ด้านไฟฟ้าของแบทเตอรี เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น เพราะมันอาจจะเป็นเรื่องใหม่สำหรับหลายๆ คน เริ่มจาก   “กำลัง” หรือ POWER มีหน่วยเป็น วัตต์ (WATT) ตัวย่อ คือ W เป็นการแสดงถึง “กำลังไฟฟ้า” ที่แบทเตอรีสามารถคายออกมาได้อย่าง “ต่อเนื่อง” (แบทเตอรีบางชนิดมีความจุสูง แต่คายพลังงานออกมาได้ช้า ก็จะมีวัตต์ต่ำ)   “ความจุพลังงาน” หากจะเปรียบให้เห็นง่ายๆ ก็คือ “เขื่อน” ซึ่งขนาดท่อระบายน้ำของเขื่อนก็คือ ความสามารถในการปล่อยน้ำให้ไหลออกมาได้เร็วหรือช้านั่นเอง บางทีจะเรียกว่า อัตราการคายประจุ (DISCHARGE C-RATING) หากระบุว่า 2C นั่นก็คือ สามารถคายประจุทั้งหมดออกได้ภายในครึ่งชั่วโมง และหากเป็น C/2 หรือ 0.5C หมายถึงจะสามารถคายประจุได้ภายใน 2 ชั่วโมง แบทเตอรีที่สามารถคายประจุได้เร็ว มักจะเป็นที่ต้องการมากกว่า เนื่องจากสามารถรองรับความต้องการพลังงานแบบฉับพลันได้ดี   “พลังงาน” หรือ ENERGY มีหน่วยเป็น วัตต์-ชั่วโมง (WATT-HOUR) หรือ WH คือ พลังงานที่เก็บสะสมไว้ในแบทเตอรี เปรียบได้เสมือนพลังงานน้ำที่สะสมไว้เหนือเขื่อน   “แรงดัน” หรือ VOLTAGE มีหน่วยเป็น โวลท์ (VOLT) หรือ V แรงดัน เปรียบเสมือน “ความสูงของน้ำ” ในเขื่อน ซึ่งแรงดันนี้จะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับสารที่ใช้ทำขั้วแบทเตอรี ที่เรียกว่า อีเลคทโรด (ELECTRODE) และสารละลายนำไฟฟ้า ที่เรียกว่า อีเลคทโรไลท์ (ELECTROLYTE) อาทิ แบทเตอรีรถยนต์ขนาด 12 โวลท์ มาจากการต่ออนุกรมของเซลล์ขนาด 2V เข้าด้วยกันรวม 6 เซลล์ แต่หากเป็นแบทเตอรีลิเธียม-ไอออน จะมีแรงดัน 4V ก็จะต่อเพียง 3 เซลล์   “ความจุ” หรือ CHARGE มีหน่วยเป็น แอมแปร์-ชั่วโมง (AMP-HOUR) หรือ AH ซึ่งหากนำมาคูณกับ “แรงดัน” จะได้เป็น “พลังงาน” (WH) แต่เนื่องจากแรงดันในแต่ละช่วงอาจจะไม่คงที่ แบทเตอรีบางชนิดจึงนิยมเขียนระบุเป็น “ความจุ” แทน “พลังงาน” เช่น แบทเตอรีรถยนต์ หรือแบทเตอรีของสมาร์ทโฟน ( อาทิ แบทเตอรีสำรองหรือเพาเวอร์แบงค์ ที่อนุญาตให้นำขึ้นเครื่องบินได้ ไม่ควรมีความจุเกิน 20,000 MAH หรือ 20 AH) ทั้งนี้ความจุเปรียบเสมือน “ปริมาณของน้ำ” ในเขื่อน   “ประสิทธิภาพในการอัด-คาย ประจุ” หรือ COULOMBIC EFFICIENCY โดยทั่วไปแบทเตอรีนั้นจะไม่สามารถคายประจุไปได้หมด ดังนั้นถ้าทำได้สูงจะหมายความว่าคายประจุออกได้มากเท่าที่ระบุไว้ แต่แบทเตอรีตะกั่วที่ใช้ในรถทั่วไปนั้น จะสามารถมีประสิทธิภาพในการคายประจุราว 95 % เมื่อเทียบกับ แบทเตอรีลิเธียม-ไอออน ที่ทำได้ดีถึง 98 %   ถึงจุดนี้ หลายท่านอาจจะคิดว่า นี่เรากำลังเรียนวิทยาศาสตร์ระดับมัธยมต้นกันอีกรอบหรือเปล่า ก็คงต้องบอกว่าใช่ เพราะหาไม่แล้วอ่านต่อไปจะงง คิดว่าเอาไว้อ้างอิงก็แล้วกัน     ในการพัฒนาแบทเตอรียุคปัจจุบัน มุ่งการพัฒนาแบทเตอรีแบบลิเธียม-ไอออน (LITIUM ION หรือ LI-ION) เป็นหลัก เนื่องจากมีความต้องการความจุพลังงานสูงในน้ำหนักที่เบาลง หรือเรียกว่ามี “ความหนาแน่นของพลังงาน” สูง (HIGH ENERGY DENSITY) ซึ่งก็คือ แบทเตอรีที่มีความจุต่อปริมาตร (WH/L) และความจุต่อน้ำหนัก (WH/KG) “สูง” นั่นเอง อันเป็นที่รู้กันโดยทั่วไปว่า แบทเตอรีลิเธียม มีความจุพลังงานมากกว่า แบบตะกั่วกรด (LEAD ACID) ที่ใช้ในรถยนต์โดยทั่วไป 3-5 เท่า ซึ่งเปรียบโดยง่าย คือ เทสลา พี 85 ที่ใช้แบทเตอรีลิเธียมความจุ 85 KWH (90 กิโลวัตต์-ชั่วโมง) หากเปลี่ยนมาเป็น แบบตะกั่วกรดทั่วไป แบทเตอรีจะมีน้ำหนักเกือบ 5 ตัน ! ในขณะที่ของ เทสลา นั้นหนักราวๆ 544 กก. เท่านั้น   จุดเด่นสำคัญของแบทเตอรีชนิดนี้ นอกจากความหนาแน่นของพลังงานที่สูง ยังมีความสามารถในการเก็บประจุได้นาน (LOW SELF-DISCHARGE) รวมถึงไม่มีผลกระทบจากสิ่งที่เรียกว่า MEMORY EFFECT อันเกิดจากการประจุไฟ (ชาร์จไฟ) ไม่เต็มรอบ เมื่อเทียบกับแบทเตอรีแบบนิคเกิลแคดเมียม หรือ นิคเกิลเมทัลไฮดไรด์ (NI-CD, NI-MH) ดังที่เราคุ้นเคยกันในรูปแบบของ “ถ่านชาร์จ” สมัยก่อน ที่มักจะคายประจุออกมาเอง เมื่อไม่ได้ใช้สักพักกำลังไฟจะลดลงไปเรื่อยๆ และการอัดไฟต้องทำเมื่อไฟใกล้หมดจริงๆ เท่านั้น มิฉะนั้นจะเก็บไฟได้น้อยลง   อายุการใช้งานของแบทเตอรีเป็นสิ่งที่คนกังวล เพราะแบทเตอรีเป็นส่วนประกอบที่มีราคาสูงของรถยนต์ไฟฟ้า อายุการใช้งานของแบทเตอรีแบบลิเธียม-ไอออน ขึ้นอยู่กับรูปแบบการปล่อยประจุ (DEPTH OF DISCHARGE) กล่าวคือ หากปล่อยประจุจนหมดจาก 100 % ถึง 0 % อยู่บ่อยๆ แบทเตอรีนั้นก็จะมีอายุอยู่ประมาณ 500 รอบของการชาร์จ แต่หากเราอัดประจุเข้าไปใหม่ในช่วงที่ความจุไม่ต่ำกว่า 30 % จะยืดอายุของแบทเตอรีได้ดีกว่า (แนวคิดเดียวกับสมาร์ทโฟน เราไม่ควรปล่อยให้เครื่องแบทเตอรีหมดจนดับไปเอง) ซึ่งถ้าเราไม่ปล่อยให้ประจุหมดบ่อยๆ และชาร์จอยู่เรื่อยๆ ก็สามารถจะชาร์จมากกว่า 4 หมื่นรอบได้เหมือนกัน     ส่วนการอัด-คาย ประจุแบบเร่งด่วน (QUICK CHARGE) มักจะทำให้อายุแบทเตอรีลิเธียมสั้นลง ดังนั้นเพื่อให้สอดคล้องกับสถานีอัดไฟที่ติดตั้งระบบอัดไฟแบบเร่งด่วนเอาไว้ ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าจึงมักติดตั้งพโรแกรมป้องกันไม่ให้เติมไฟจนเต็ม และส่วนใหญ่ตั้งไว้ไม่เกินระดับ 80 % ซึ่งส่วนใหญ่ผู้ผลิตจะแนะนำว่ารถไฟฟ้านั้นไม่ควรอัดไฟจนเกิน 90 % ส่วนเรื่องอายุการใช้งาน หากใช้อย่างถูกต้องแล้วเชื่อว่านานพอตัว เพราะค่าย เทสลา รับประกันคุณภาพแบทเตอรีของเขานานถึง 8 ปี หรือ 160,000 กม. เลยทีเดียว   นอกจากนั้น เรื่องอุณหภูมิยังเป็นประเด็นสำคัญ เนื่องจากอุณหภูมิส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพในการอัด-คาย ประจุ อากาศเย็นระดับติดลบนั้นแบทเตอรีจะมีความจุได้ไม่ค่อยดีนัก ซึ่งในทางเดียวกันที่อุณหภูมิสูงกว่า 25 องศาเซลเซียส ความจุของแบทเตอรีก็จะเสื่อมลงเช่นกัน ดังนั้นผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าจึงต้องติดตั้งระบบควบคุมอุณหภูมิให้ทำงานในช่วงที่เหมาะสม     แบทเตอรีแบบลิเธียม-ไอออน ที่ค่าย เทสลา เลือกใช้ นั้นคือ เบอร์ 18650 ที่ผลิตโดย พานาโซนิค เป็นแบทเตอรีชนิดทรงกระบอก ขนาดใกล้เคียงกับถ่านไฟฉายขนาด AA โดยเลข 18 คือ เส้นผ่าศูนย์กลาง และ 65 คือ ความยาว หน่วยเป็นมิลลิเมตร เดิมทีนั้นมันได้ถูกพัฒนาขึ้นมาเป็นแบทเตอรีสำหรับคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล แต่ด้วยความแพร่หลายในวงการต่างๆ จึงได้รับการพัฒนามาใช้เป็นแบทเตอรีสำหรับรถยนต์ โดยนำมาเรียงต่อกันเป็นตับ และเชื่อมขั้วบวกและลบเข้าหากันให้แน่นหนา ส่วนค่ายรถยนต์อื่นๆ ก็เลือกใช้รูปแบบ และเบอร์อื่นๆ จากผู้ผลิตรายอื่น ซึ่งจะกล่าวถึงในวาระต่อไปว่าเหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น   ในส่วนความแรงของรถยนต์ไฟฟ้า สามารถสังเกตได้ด้วยค่า “พลังงานสะสม” ของแบทเตอรีหน่วยเป็น วัตต์-ชั่วโมง (WH) ซึ่งสัมพันธ์กับชนิดของแบทเตอรีที่ใช้ อาทิ เทสลา พี 60 มี “พลังงาน” หรือ ENERGY เท่ากับ 60 KWH (กิโลวัตต์-ชั่วโมง) หรือ 60,000 วัตต์-ชั่วโมง (มาจากแบทเตอรี 18650 จำนวน 6,216 เซลล์ มีแรงดัน 352 โวลท์) ส่วนรุ่นที่แรงขึ้นอีกขั้น คือ เทสลา พี 85 นั้นมีค่าพลังงานเท่ากับ 85 KWH (มาจากแบทเตอรีจำนวน 7,104 เซลล์ มีแรงดัน 402 โวลท์) ค่าพลังงานจะสัมพันธ์กับขนาดของมอเตอร์ที่ใช้นั่นเอง แน่นอนว่า “กำลัง” (POWER) ของมอเตอร์นั้นก็มีหน่วยเป็นวัตต์ ซึ่ง 745 วัตต์ ก็เท่ากับราวๆ 1 แรงม้า เมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน   ความนิยมในตัวแบทเตอรีลิเธียม-ไอออน ทำให้ราคามีแนวโน้มลดลงเรื่อยๆ จากจำนวนการผลิตที่สูงขึ้น เนื่องจากแหล่งแร่ลิเธียมที่อยู่ในจีน (มีมากเป็นอันดับ 3 ของโลก รองจากชิลีและออสเตรเลีย) นั้นได้รับการสนับสนุนการผลิตจากรัฐบาล โดยมีเป้าหมายราคาในอนาคตอันใกล้นี้อยู่ที่ 100 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ 1 KWH นั่นแสดงว่า แบทเตอรีของ เทสลา พี 85 ที่มีค่าพลังงานอยู่ที่ 85 KWH จะมีราคาอยู่ที่ 8,500 เหรียญสหรัฐฯ เท่านั้น (ปัจจุบันราคาแบทเตอรีของ เทสลา อยู่ที่ 190 เหรียญสหรัฐฯ ต่อ 1 KWH ทำให้มีราคาราว 16,150 เหรียญสหรัฐฯ) และหากทำได้สำเร็จ เรื่องนี้น่าจะเป็นจุดเปลี่ยนให้ราคาของรถไฟฟ้าลดลง จนอยู่ไม่ไกลเกินเอื้อมสำหรับคนทั่วไป   ปัจจุบันแบทเตอรีรุ่นล่าสุดที่ GIGA FACTORY ของ เทสลา พัฒนาขึ้นเพื่อรุ่น โมเดล 3 เป็นเบอร์ 2170 (คงจะเดาได้ว่า มีเส้นผ่าศูนย์กลาง 21 มิลลิเมตร และยาว 70 มิลลิเมตร)   สำหรับคำถามว่า ยังมีแบทเตอรีลิเธียม-ไอออนอีกกี่แบบ และรถแต่ละยี่ห้อใช้แบทเตอรีต่างกันเพราะอะไร อีกทั้งแต่ละยี่ห้อใช้แบบใดกันบ้าง ขอยกยอดไปเฉลยในฉบับหน้าครับ