แบทเตอรี หัวใจของยานยนต์ไฟฟ้า (ตอนจบ)

ณ นาทีนี้คงไม่ต้องสาธยายให้มากความ ถึงบทบาทแบทเตอรีของรถไฮบริด และรถไฟฟ้ากันอีกต่อไป เพราะโลกกำลังหมุนaไปทางด้านนั้น อย่างฉุดไม่อยู่

ฉบับที่แล้วเราได้เกริ่นไปถึงเรื่องราวของหน่วยวัดต่างๆ ของแบทเตอรี ไม่ว่าจะเป็น ความจุ กำลัง หรือพลังงาน (เอามาอ่านควบคู่กันไปกับฉบับนี้ จะทำให้เข้าใจได้ง่ายขึ้น) ในฉบับนี้จะขอเล่าต่อถึงที่มาที่ไป และอนาคตของแบทเตอรี สำหรับโลกของยานยนต์ไฟฟ้า   ก่อนที่เราจะพุ่งไปยังเทคโนโลยีแบทเตอรีแบบลิเธียม-ไอออน ก็อยากจะขอเล่าเรื่องราวถึงแบทเตอรีที่อยู่คู่กับรถของเราอย่างชนิด “ตะกั่ว-กรด” (LEAD ACID) ที่อยู่ภายใต้ฝากระโปรงรถยนต์ของท่านอีกสักนิด แบทเตอรีชนิดนี้อยู่คู่กับรถยนต์ของพวกเรามาตั้งแต่ครั้งที่รถยนต์ยังวิ่งกันบนโลกได้ไม่นาน นั่นคือ ทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ผ่านมา (เริ่มคิดค้นขึ้นมาได้ในปี 1859)   แบทเตอรีชนิดตะกั่ว-กรดนี้ มีข้อดีอยู่ประการหนึ่ง ก็คือ สามารถ “คายประจุ” ได้รวดเร็ว (HIGH C-RATING) จึงเหมาะสำหรับใช้ในการสตาร์ทรถ เพราะสามารถปล่อยกำลังออกมาได้ 700-1,500 วัตต์ ในเวลาสั้นๆ ได้สบาย โดยในการสตาร์ทรถแต่ละครั้ง ใช้พลังงานเพียงไม่ถึง 1 % ของความจุเท่านั้น     แต่แบทเตอรีชนิดนี้หากใช้จนน้ำกลั่นหมดบ่อยๆ อายุการใช้งานจะสั้นลง เนื่องจากจะเกิดความเสียหายของแผ่นธาตุอันเนื่องจากปฏิกิริยาเคมี ทำให้แผ่นตะกั่วกร่อน และแตกเป็นผง ประสิทธิภาพจะต่ำลงเรื่อยๆ ซึ่งในปัจจุบันแก้ปัญหาด้วยการพัฒนาสารประกอบในแผ่นตะกั่วเพื่อลดการเกิดฟองไฮโดรเจน ซึ่งเป็นสาเหตุสำคัญของการสูญเสียน้ำ โดยแบทเตอรีชนิดที่ว่านี้จะขายในชื่อของ “แบทเตอรีดูแลรักษาต่ำ” (LOW MAINTENANCE หรือ MAINTENANCE FREE)   แบทเตอรีอีกชนิดที่มาแรงในปัจจุบัน คือ AGM หรือ ABSORBED GLASS MAT ใช้ใยไฟเบอร์กลาสส์เป็นแผ่นกั้น โดยเส้นใยนี้จะสามารถอุ้มสารละลายกรดได้ดี ลดการสูญเสียน้ำ และยังลดการใช้สารละลาย ช่วยทำให้แบทเตอรีมีน้ำหนักเบา และในบางยี่ห้อนั้นได้เปลี่ยนสารละลายให้อยู่ในรูปเจล เพื่อลดการเสียน้ำ ซึ่งช่วยลดการสึกกร่อนของตะกั่วลงได้ แต่ในขณะเดียวกันก็ส่งผลให้อัตราการคายประจุต่ำลง และมีราคาสูง จึงยังไม่เป็นที่แพร่หลายนัก   อีกเทคโนโลยีหนึ่งที่เกิดขึ้น คือ การพัฒนาขั้วแบทเตอรีให้เป็นตะกั่วและคาร์บอน (LEAD-CARBON) โดยการเพิ่มแผ่นคาร์บอนไปที่ขั้วลบ เพื่อทำหน้าที่คล้ายตัวเก็บประจุ (คาพาซิเตอร์) ทำให้สามารถอัดและคายประจุได้อย่างรวดเร็ว และลดการเกิดผลึกซัลเฟอร์ที่ขั้วลบ ทำให้อายุของแบทเตอรียาวนานขึ้น ผู้ผลิตมักจะเรียก แบทเตอรีชนิดนี้ว่า แบทเตอรีลูกผสม หรือ ไฮบริด   ที่กล่าวมานั้น คือ เทคโนโลยีของแบทเตอรีสำหรับรถยนต์แบบปกติทั่วไปที่ยังคงใช้กันอยู่ แต่สำหรับในรถพลังไฟฟ้า จะไม่ใช้แบทเตอรีแบบตะกั่ว-กรด เพราะสิ่งที่เราต้องการหลักๆ ไม่ใช่ความสามารถในการคายประจุฉับพลันเพียงอย่างเดียว แต่เรายังต้องการ “ความจุ” ที่มาพร้อมกับน้ำหนักที่เหมาะสม ดังนั้นแบทเตอรีลิเธียม จึงเป็นทางเลือกหลัก แต่แบทเตอรีลิเธียม-ไอออน มีหลากหลายสายพันธุ์ ซึ่งแต่ละแบบนั้นก็เหมาะกับการใช้งานต่างชนิดกัน เริ่มจาก   1. ลิเธียมโคบอลท์ออกไซด์ (LCO: LITHIUM COBALT OXIDE) มีจุดเด่นที่เก็บพลังงานได้มาก (HIGH ENERGY DENSITY) แต่มีราคาสูงเนื่องจากโคบอลท์เป็นแร่หายาก ราคาสูง ใช้กันทั่วไปในโทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์พกพา กล้องดิจิทอล ในระยะหลังมีการเปลี่ยนแบบสารละลายไปเป็นแบบแห้ง หรือเจล แล้วห่อด้วยแผ่นฟีล์มโดยใช้ชื่อว่า ลิเธียมโพลีเมอร์ (LITHIUM POLYMER) หรือบ่อยครั้งจะได้ยินในชื่อย่อๆ ว่า “แบทลิโพ” ซึ่งไม่เกี่ยวกับเครื่องดื่มชูกำลังแต่อย่างใด และเอาเข้าจริงๆ แล้ว เป็นเพียงรูปแบบของโครงสร้างเท่านั้น ไม่ใช่ชนิดของแบทเตอรี   2. ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LMO: LITHIUM MANGANESE OXIDE) มีจุดเด่นที่ให้กำลังสูง เหมาะกับการใช้งานในเครื่องมือที่ต้องการวัตต์สูง อาทิ สว่านไฟฟ้า แต่มีข้อด้อยในเรื่องการเก็บพลังงาน   3. ลิเธียมนิคเคิลแมงกานีสโคบอลท์ออกไซด์ (NMC: LITHIUM NICKEL MANGANESE COBALT OXIDE) เป็นแบทเตอรีที่ได้รับการพัฒนาต่อยอดขึ้นมาจาก LMO ให้กำลังสูง เก็บพลังงานได้มาก มีอายุการใช้งานได้ยาวนาน และเพิ่มรอบการอัดกับคายประจุ จึงนิยมนำมาใช้ในรถยนต์ไฮบริด รวมถึงจักรยานไฟฟ้า   4. ลิเธียมนิคเคิลโคบอลท์อลูมินัมออกไซด์ (NCA: LITHIUM NICKEL COBALT AUMINUM OXIDE) ให้กำลังสูง เก็บพลังงานได้มากคล้ายกับ NMC ราคาถูกกว่า แต่ก็มีรอบการใช้งานสั้นกว่า   5. ลิเธียมไอรอนฟอสเฟท (LFP: LITHIUM IRON PHOSPHATE) เป็นชนิดที่มีความปลอดภัยสูง ให้กำลังมาก มีอายุการใช้งานยาวนาน แต่มีจุดด้อยตรงน้ำหนักมาก จึงนิยมใช้ในสถานีไฟฟ้า   6. ลิเธียมไททาเนทออกไซด์ (LTO: LITHIUM TITANATE OXIDE) มีจุดเด่นที่อายุการใช้งานยาวนานเกิน 3,000 รอบ ทนอุณหภูมิสูงได้ มีความปลอดภัยสูง อัดไฟได้เร็ว แต่มีราคาสูง มีใช้ในนาฬิกาข้อมือ SEIKO รุ่น KINETIC ส่วนในรถไฟฟ้านั้นก็พบได้ใน มิตซูบิชิ ไอ-เมียฟ และ ฮอนดา ฟิท อีวี แต่มีข้อด้อยตรงที่ค่าพลังงานต่อน้ำหนักค่อนข้างต่ำกว่าแบทเตอรีลิเธียม-ไอออนตัวอื่นๆ   7. ลิเธียมซัลเฟอร์ (LIS: LITHIUM SULPHUR) เป็นแบทเตอรีที่ยังอยู่ในขั้นตอนการวิจัย ตามทฤษฎีแล้วแบทเตอรีชนิดนี้จะสามารถเก็บพลังงานได้สูงกว่าแบทเตอรีลิเธียมชนิดอื่นๆ ถึง 50 % แต่ยังมีปัญหาการเสื่อมสภาพ และทำให้อายุการใช้งานสั้น   ในโลกของรถพลังไฟฟ้าที่ถูกผลิตออกจำหน่าย เราพบว่ายังไม่มีสูตรสำเร็จทางการออกแบบ แต่เราสามารถศึกษาพัฒนาการได้จากรถหลายๆ รุ่นต่อไปนี้   เริ่มจาก นิสสัน ลีฟ รถไฟฟ้าที่สามารถวิ่งทางไกลได้ ในรุ่นบุกเบิก เปิดตัวมาตั้งแต่ปี 2010 และมียอดจำหน่ายไปแล้วว่า 240,000 คัน นิสสัน ลีฟ รุ่นปัจจุบัน (2016) ติดตั้งแบทเตอรีขนาด 30 กิโลวัตต์ชั่วโมง ทำงานร่วมกันกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ ขนาด 80 กิโลวัตต์ หรือ 107 แรงม้า ทำให้สามารถวิ่งได้ไกลถึง 172 กิโลเมตร ด้วยความเร็วที่เหมาะสม   นิสสัน ลีฟ ใช้เซลล์แบทเตอรีลิเธียม-ไอออนชนิด LMO หรือ “ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์” โดยเซลล์จะเป็นแบบ “พริสมาทิค” (PRISMATIC) หรือเซลล์แบบแผ่น ที่มีขนาดราวแผ่นกระดาษ A4 และเซลล์รวม 4 เซลล์ จะถูกซ้อนและรวมเข้าไปในกล่องโลหะเรียกว่า “โมดูล” (MODULE) โดยจะมีโมดูลรวม 48 หน่วย ถูกจัดเรียงให้อยู่ในรูปทรงที่เหมาะกับการใช้งาน เรียกว่า “แพค” (PACK) โดย 1 แพคใหญ่นั้นมีเซลล์รวมทั้งหมด 192 เซลล์ย่อย และมีความหนาแน่นของพลังงาน (ENERGY DENSITY) ที่ 140 WH/KG   โมดูลทั้ง 48 โมดูล ของ นิสสัน ลีฟ บางชุดก็ถูกจัดวางทั้งในแนวตั้งและแนวนอน สัมพันธ์กับรูปแบบการใช้งานพื้นห้องโดยสาร และได้รับการออกแบบให้ระบายความร้อนด้วยอากาศ นิสสัน รับประกันแบทเตอรียาวนานถึง 96 เดือน หรือ 160,000 กิโลเมตร และเพื่อที่จะให้ใช้งานแบทเตอรีลิเธียมได้อย่างมีประสิทธิภาพ นิสสัน ได้ระบุถึงข้อควรตระหนักต่างๆ อาทิ ไม่ควรใช้งานที่อุณหภูมิรอบข้างสูงกว่า 49 องศาเซลเซียส ต่อเนื่องเกิน 24 ชั่วโมง (ฤดูร้อนเมืองไทยมีลุ้น) ไม่ควรจอดรถในที่อุณหภูมิต่ำกว่า -25 องศาเซลเซียส ต่อเนื่องเกิน 7 วัน (บ้านเราหายห่วง) ถ้าใช้ระบบชาร์จไฟเร่งด่วน อย่าชาร์จไฟเกิน 80 % ของความจุ และควรจะชาร์จไฟเมื่อความจุลดลงต่ำกว่า 80 % เท่านั้น และไม่ควรทิ้งรถไว้จนไฟหมด (เพราะจะทำให้ประสิทธิภาพเสื่อมลง) เป็นต้น   และเพื่อให้ระบบไฟฟ้าของแบทเตอรีลิเธียมมีไว้เพื่อการเดินทางจริงๆ นิสสัน ลีฟ จึงติดตั้งแบทเตอรีแบบ 12 โวลท์ ชนิด ตะกั่ว-กรด เอาไว้ด้วย 1 ลูก สำหรับเป็นพลังงานให้แก่ระบบคอมพิวเตอร์ เครื่องเสียง และไฟส่องสว่าง จนถึงระบบปัดน้ำฝน เรียกว่าอย่ามาขอส่วนบุญกัน     ผลพวงจากการพัฒนา นิสสัน ลีฟ นี้ได้รับการพัฒนาต่อยอดให้เห็นในรถของพันธมิตรทางธุรกิจอย่าง เรอโนลต์ โซ (RENAULT ZOE) ปี 2017 ซึ่งเป็นรถที่มีขนาดกะทัดรัด ใช้แบทเตอรีที่มีพลังงาน 41 กิโลวัตต์ชั่วโมง ที่พัฒนาโดย LG CHEM ทำให้สามารถใช้งานเป็นระยะทางถึง 300 กิโลเมตร   รถพลังไฟฟ้ารุ่นต่อไปที่จะมาแทน ลีฟ ในปี 2018 จะพัฒนาแบทเตอรีให้มีพลังงานถึง 60 กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งจะทำให้สามารถใช้งานเป็นระยะทางมากกว่า 300 กิโลเมตร/ชาร์จ 1 ครั้ง ได้อย่างแน่นอน   นอกจาก เรอโนลต์ แล้ว รูปแบบการจัดวางแบทเตอรีของ นิสสัน ลีฟ ยังถูกนำไปใช้ในรถของค่าย จีเอม อย่าง เชฟโรเลต์ โบลท์ แบทเตอรีพัฒนาโดย LG CHEM เช่นเดียวกัน แต่เป็นชนิดที่เรียกว่า NI-RICH หรือแบทเตอรีลิเธียม-ไอออนที่มีความเข้มข้นของนิคเคิลสูง ซึ่งให้ความหนาแน่นทางพลังงานสูงกว่า ทำให้มีรอบการใช้งานและการชาร์จได้มากครั้งขึ้น แถมยังมาพร้อมกับต้นทุนการผลิตที่ต่ำที่สุดในปัจจุบันที่ 145 เหรียญสหรัฐฯ/กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่ง โบลท์ นี้มาพร้อมแบทเตอรีที่มีพลังงานถึง 60 กิโลวัตต์ชั่วโมง และพิกัดการวิ่งระดับ 380 กิโลเมตร   ส่วน บีเอมดับเบิลยู ไอ 3 อาจจะมีพิกัดพลังงานต่ำกว่าค่ายอื่นที่ 22 กิโลวัตต์ชั่วโมง แต่รุ่นปี 2016 ได้เพิ่มพลังงานเป็น 33 กิโลวัตต์ชั่วโมง ทำให้ระยะทางเพิ่มขึ้นเล็กน้อยเป็น 180 กิโลเมตร สูสีกับ นิสสัน ลีฟ โดยแบทเตอรีของ ไอ 3 เป็นแบบ 8 โมดูล (แต่ละโมดูลมีแรงดัน 45 โวลท์) ซึ่งสามารถจะเปลี่ยนทีละโมดูล หากเกิดความเสียหายหรือเสื่อมสภาพ   ปัจจุบันแบทเตอรีของ บีเอมดับเบิลยู เป็นลิเธียม-ไอออนชนิด LMO/NMC “ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ ผสมกับลิเธียมนิคเคิลแมงกานีสโคบอลท์ออกไซด์” โดยมาในรูปแบบของเซลล์แบบพริสมาทิค ผลิตโดย SAMSUNG SDI ซึ่งปีนี้ได้พัฒนาแบทเตอรีของ ไอ 3 มีความจุเพิ่มจากเดิม 60 แอมพ์-ชั่วโมง เป็น 94 แอมพ์-ชั่วโมง และคาดว่าในปี 2019 จะสามารถพัฒนาให้มีความจุได้ถึง 125 แอมพ์-ชั่วโมง ทำให้หลายๆ คนลังเลว่าจะอัพเกรดในตอนนี้ดีไหม หรือควรจะรอถึงปี 2019 แล้วอัพเกรดครั้งเดียวไปเลย ซึ่งในตอนนั้นราคาของแบทเตอรีน่าจะลดลงอีกด้วย   เมื่อถึงตรงนี้ คงพอจะสังเกตได้ว่า รถพลังไฟฟ้าที่กล่าวมา เลือกใช้แบทเตอรีชนิด LMO หรือ LMO/NMC ที่มาในรูปแบบเซลล์แผ่นแบบพริสมาทิคเป็นหลัก แต่ก็มีผู้ผลิตที่คิดต่างออกไป นั่นคือ จอมพลังของรถไฟฟ้าในปัจจุบัน “เทสลา” โดยแบทเตอรีที่ค่ายนี้เลือกใช้นั้น “แหกคอก” จากผู้ผลิตรถยนต์รายอื่น เพราะเป็นชนิด NCA หรือ LITHIUM NICKEL COBALT ALUMINUM OXIDE (ลิเธียมนิคเคิลโคบอลท์อลูมินัมออกไซด์) ที่มาในรูปแบบต่างไปจากของผู้ผลิตรายอื่นที่เลือกใช้แบทเตอรีรูปแบบพริสมาทิค แต่ เทสลา เลือกใช้เซลล์ทรงกระบอกแบบถ่านไฟฉายเบอร์ 18650 และระบายความร้อนด้วยของเหลว ส่งกำลังไปยังมอเตอร์กระแสสลับแบบเหนี่ยวนำ (AC INDUCTION MOTOR)   แบทเตอรีชนิด NCA ในรูปแบบที่ เทสลา เลือกใช้นั้น ผลิตโดย พานาโซนิค ซึ่งแต่เดิมเป็นแบทเตอรีสำหรับคอมพิวเตอร์แลพทอพ แต่ปัจจุบันนี้แนวโน้มเรื่องแบทเตอรีของ เทสลา น่าจะเปลี่ยนไปเป็นเบอร์ 2170 ที่มีความจุสูงขึ้น และ เทสลา ได้สร้างโรงงานชื่อ GIGAFACTORY เพื่อสร้างแบทเตอรีโดยเฉพาะ คาดว่าแบทเตอรีเบอร์ 2170 นี้ จะมีราคาต่ำกว่า 200 เหรียญสหรัฐฯ/กิโลวัตต์ชั่วโมง   ขณะนี้ต่างฝ่ายต่างก็เชื่อมั่นในแนวความคิดของตัวเอง คงต้องรออีกสักพักหนึ่ง รอให้ฝุ่นจางลงกว่านี้ เราน่าจะได้เห็น “มาตรฐาน” ของวงการนี้ชัดเจนขึ้น แต่หลายท่านคงยังไม่กล้าใช้รถพลังไฟฟ้าด้วยสาเหตุนานัปการ แต่ควรเตรียมตัวเตรียมใจเพราะ “ถึงมาช้า แต่มาชัวร์”