แบทเตอรี หัวใจแห่งการขับเคลื่อนรถไฟฟ้า

โลกเราทุกวันนี้ ขับเคลื่อนด้วยกระแสไฟฟ้าที่ได้จากแบทเตอรีเพิ่มขึ้นทุกปี และยอดขายของรถไฟฟ้าผ่านหลัก 10 % ของสัดส่วนยอดขายรถทั้งหมดในโลกไปเรียบร้อยในปี 2022 แล้ว ถ้ายังเติบโตในอัตรานี้ต่อไป เราจะเห็นยอดขายรถไฟฟ้าผ่านหลัก 30 % ในปี 2030 โดยสิ่งที่ผลักดันการเติบโตของรถไฟฟ้ามาจากหลายส่วน แต่ที่ชัดเจนสุด เห็นจะเป็นเรื่องการรับมือสภาพภูมิอากาศที่เปลี่ยนไป หรือ “สภาวะโลกร้อน” ด้วยการพยายามลดการปล่อยแกสคาร์บอนไดออกไซด์ ที่เหล่าประเทศพัฒนาแล้ว มีแนวโน้มที่จะแบนการผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายใน ปี 2035 ด้วยนโยบายนี้ ทำให้ต้องมีการเร่งพัฒนาแบทเตอรีที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น และราคาถูกลง ก่อนที่จะไปต่อ เราต้องมาทบทวนความรู้เรื่องของ ชื่อ และนิยามองค์ประกอบของแบทเตอรีกันก่อน มิฉะนั้นอาจจะหลงทางไปกับศัพท์เทคนิคต่างๆ แน่นอนว่า เราคุ้นเคยกับ ขั้ว + และ ขั้ว - ของแบทเตอรีกันเป็นอย่างดี แต่อะไร คือ ขั้วบวก ? นิยามของเซลล์ไฟฟ้าเคมีแบทเตอรี หรือในที่นี้ คือ เซลล์ส์กัลวานิค (GALVANIC CELLS) ขั้วบวก คือ ขั้วที่มีศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า ส่วนขั้วที่มีศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า คือ ขั้วลบ และเมื่อศักย์ไฟฟ้าสูงกว่า กระแสไฟฟ้าจึงไหลจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ส่วนอีกคำศัพท์ที่เวลาเราอ่านเรื่องแบทเตอรีจะเจอเป็นประจำ คือ ขั้วไฟฟ้า (ELECTRODE) ชื่ออโนด (ANODE) และคาโธด (CATHODE) ซึ่งมักจะสร้างความสับสนเสมอว่า อันไหน คือ ขั้วบวกหรือขั้วลบกันแน่ แต่ที่แน่ๆ เลย คือ เราต้องเข้าใจก่อนว่า มันเป็นคนละเรื่องกัน เพราะกระแสไฟจะไหลสวนทางกับการสูญเสียอีเลคทรอน โดยนิยามอโนด หมายถึง ขั้วที่ “ให้อีเลคทรอน” ในกระบวนการที่เรียกว่า “ปฏิกิริยาออกซิเดชัน” (OXIDATION REACTION) ส่วนคาโธด เป็นขั้วที่ “รับอีเลคทรอน” เข้าไป ในกระบวนการที่เรียกว่า “ปฏิกิริยา เรดัคชัน” (REDUCTION REACTION) โดยทั่วไปในก้อนแบทเตอรีส่วนที่ระบุว่าเป็น ขั้วลบ (-) คืออโนด และขั้วบวก (+) คือคาโธด ซึ่งถ้าเราชาร์จไฟเข้าไปในแบทเตอรี อโนด และคาโธด จะสลับตำแหน่งกัน แต่ถ้าเราพิจารณาเรื่อง อโนด และคาโธด ในเชิงวงจรแล้วจะมองในแง่ของ "ทิศทางกระแสไฟฟ้าไหล" แทนเรื่องของการ "ให้ หรือ รับ อีเลคทรอน" โดยในเชิงวงจร เราจะมองว่ากระแสไฟฟ้าไหลไปได้ในทิศทางเดียวจากการควบคุมของวงจรไดโอด (DIODE) ดังนั้นในวงจรไฟฟ้า เราจะมองว่าทิศทางของกระแสไหลออกจากทางใด ทางนั้นจะนับเป็นอโนด หรือขั้วบวก (+) และปลายทางจะเป็นคาโธด หรือขั้วลบ (-) แทน อีกองค์ประกอบหนึ่งที่จะขาดไม่ได้ คือ อีเลคทโรไลท์ (ELECTROLYTE) หรือสารตัวนำไฟฟ้าที่สามารถแตกตัว เพื่อให้ไอออนอิสระ และทำให้การถ่ายเทอีเลคทรอนระหว่างอโนด และคาโธด เกิดขึ้นได้ ถึงตรงนี้หลายท่านอาจจะงงอยู่บ้าง แต่นี่คือสิ่งสำคัญที่วิศวกรไฟฟ้าจะต้องเข้าใจ ซึ่งเราอาจไม่ต้องใส่ใจมากก็ได้ แต่อธิบายไว้เพื่อจะนำสู่เรื่องของ ชนิดโลหะที่ถูกนำมาใช้ในการพัฒนาอโนด และคาโธด ของแบทเตอรี สำหรับแบทเตอรีประเภท “ลิเธียม-ไอออน” (LITHIUM-ION) ที่ใช้กันแพร่หลายในปัจจุบัน วัสดุที่ใช้เป็นอโนด หรือขั้วลบ มักทำจากกราไฟท์ (GRAPHITE) ซึ่งเป็นสถานะหนึ่งของคาร์บอนที่มีการจัดเรียงตัวค่อนข้างเป็นระเบียบ คือ มีการแบ่งตัวเป็นชั้นเป็นแผ่นซ้อนกัน โดยคุณสมบัติของกราไฟท์ คือ เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี ราคาย่อมเยา ส่วนวัสดุที่ได้รับความนิยมอีกชนิด คือ ซิลิคอน (SILICON) ที่มีคุณสมบัติความหนาแน่นทางพลังงานสูง แต่มีข้อด้อยเรื่องการขยายตัว และอายุใช้งาน โดยแบทเตอรีลิเธียม-ไอออน บางแบบได้ผสมวัสดุ 2 ชนิด คือ กราไฟท์กับซิลิคอน เพื่อเพิ่มสมรรถนะด้านความจุ ส่วนอีเลคทโรไลท์ของแบทเตอรีลิเธียม-ไอออนนั้น มักจะใช้เกลือลิเธียม (LITHIUM SALT) ส่วนขั้วบวกของแบทเตอรีลิเธียม-ไอออน หรือคาโธด มักจะใช้เป็นโลหะออกไซด์ (METAL OXIDE) ซึ่งมีหลายชนิด แต่ละแบบล้วนมีคุณสมบัติแตกต่างกันไป อาทิ ลิเธียมโคบอลท์ออกไซด์ (LITHIUM COBALT OXIDE) หรือ LICOO2 ตัวต่อมา คือ ลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LITHIUM MANGANESE OXIDE) หรือ LIMN2O4 และตัวที่ได้รับความนิยมสูงอย่าง ลิเธียมนิคเคิลแมงกานีสโคบอลท์ออกไซด์ (LITHIUM NICKEL MANGANESE COBALT OXIDE) หรือ LINIMNCOO2 หรือเรียกย่อๆว่า NMC เพราะมีจุดเด่นด้านความทนทาน และความร้อนต่ำ ว่ากันว่า ต้นทุนของแบทเตอรีราว 30-40 % มาจากมูลค่าของแร่ที่ใช้ผลิต คาโธด และอีก 10-15 % เป็นราคาของอโนด ส่วนปัญหาที่เราอาจเคยได้ยินมาว่า “องค์ประกอบที่ใช้ผลิตแบทเตอรีนั้นเป็นแร่หายาก ประเด็นนี้ ต้องจับนิยามให้ได้ก่อนว่า แร่หายากในที่นี้คืออะไร แน่นอนว่ามันจะเป็นแร่ชื่อประหลาดๆ ที่ส่วนใหญ่ไม่เคยได้ยินมาก่อน อาทิ สแกนเดียม, แลนธานัม, ซีเรียม, โพรมีเธียม, ซามาเรียม ฯลฯ จะมีคุ้นหูบ้างก็คือ “นีโอไดเมียม” (NEODYMIUM) ธาตุที่มีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กพลังสูง นี่แหละ คือ องค์ประกอบหลักของการผลิตมอเตอร์ไฟฟ้าอันทรงพลัง ซึ่งทำให้ “รถไฟฟ้า” ตกเป็นจำเลยสังคมในเรื่องของการขุดหาแร่หายาก และมีราคาแพง แร่เหล่านี้แม้จะได้ชื่อว่า “หายาก” แต่ว่ากันว่ามันมีจำนวนมากกว่า “ทองคำ” และ “พแลทินัม” ถึง 200 เท่า ! และโดยนิยามแล้วลิเธียม กับโคบอลท์ ไม่ถือว่าเป็นแร่หายาก แล้วทำไมคนถึงเชื่อว่า การผลิตแบทเตอรีต้องใช้แร่หายากเหล่านี้ เหตุผลมันมาจากเมื่อครั้งอดีต ค่าย TOYOTA (โตโยตา) และ HONDA (ฮอนดา) มีการพัฒนารถยนต์ไฮบริด และมีการใช้แบทเตอรีชนิด นิคเคิลเมทัลไฮดไรด์ (NICKEL METAL HYDRIDE) หรือ NIMH ที่ใช้อโนดผลิตจาก แลนธานัม เพนทานิคเคิล อัลลอย (LANI5) ซึ่งในรถ 1 คันในตอนนั้นจะมีการใช้แร่หายากอย่าง แลนธานัม มากถึง 10 กก. แต่ปัจจุบันความนิยมในแบทเตอรีชนิดดังกล่าวลดน้อยลงมาก และแบทเตอรีลิเธียม-ไอออนยุคใหม่ ทำให้เราไม่จำเป็นต้องใช้แร่พิสดารพวกนี้อีกแล้ว อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบสำคัญของแบทเตอรี NMC อย่าง “โคบอลท์” เป็นแร่ที่อันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์ เพราะไอระเหยของโคบอลท์ คือ สารก่อมะเร็ง ดังนั้น ในแง่มุมของการพัฒนาสมรรถภาพของแบทเตอรี เพื่อใช้งานกับรถไฟฟ้านั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเด็น ได้แก่ 1. ทำให้ราคาย่อมเยากว่าเดิม 2. ทำให้วิ่งได้ไกลขึ้น 3. ทำให้ชาร์จไฟได้เร็วขึ้น ส่วนการทำให้แบทเตอรีปลอดภัยนั้น ปัจจุบันถือว่าเราสอบผ่านจุดนั้นไปเรียบร้อยแล้ว ประเด็นแรก “แบทเตอรีราคาย่อมเยามากขึ้น” หลายศูนย์วิจัยกำลังคิดค้น วิธีการลดต้นทุน ด้วยการลดการใช้โลหะ และศูนย์วิจัยของ ไอบีเอม (IBM RESEARCH) ร่วมกับ MERCEDES-BENZ (เมร์เซเดส-เบนซ์) ค้นพบวิธีสกัดวัสดุในการทำแบทเตอรีจากน้ำทะเล ซึ่งเป็นวัตถุดิบที่มีเหลือเฟือ โดยแบทเตอรีชนิดใหม่นี้จะไม่มีโคบอลท์ เป็นส่วนประกอบ สำหรับประเด็นที่ 2 “แบทเตอรีให้ระยะเดินทางได้ไกลขึ้น” ปัจจุบันมีหลายแนวคิดที่ได้รับการพัฒนาเพื่อให้แบทเตอรีสามารถสะสมพลังงานได้มากขึ้น หนึ่งในนั้นก็คือการพัฒนาวัสดุ “คาร์บอนนาโนทูบ” (CARBON NANOTUBE) หรือ CNT มาใช้แทนกราไฟท์ ในส่วนของอโนด ซึ่งโครงสร้างที่เป็นสายยาวเรียงเป็นระเบียบ ทำให้มันสามารถเก็บสะสมอีเลคทรอนอิสระได้มากกว่าเดิมถึง 3 เท่า รวมทั้งชาร์จ และปล่อยพลังงานได้เร็ว แถมยังยืดอายุได้ยาวนานขึ้นถึง 5 เท่า อีกไม่นานเทคโนโลยีนี้ใกล้จะบรรลุความเป็นจริงแล้ว นอกจากนี้ยังมีอีกแนวคิดหนึ่งที่จะทดแทนอโนด ที่เป็นสารกลุ่มคาร์บอน อย่างกราไฟท์ ด้วยซิลิคอนบริสุทธิ์ โดยห้องทดลองของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐแคลิฟอร์เนีย วิทยาเขตริเวอร์ไซด์ (UNIVERSITY OF CALIFORNIA RIVERSIDE) ตามที่ได้อธิบายไปแล้วว่า ซิลิคอนนั้นแม้จะมีสมรรถนะในการเป็นอโนดสูงกว่ากราไฟท์ แต่มีอายุสั้นกว่า ดังนั้นพวกเขาจึงได้สร้าง อโนด ที่ผลิตจากซิลิคอน บริสุทธิ์ที่สกัดจากทราย มีชื่อว่าซิลนาโน (SILNANO) ที่ผู้วิจัยอ้างว่า ด้วยโครงสร้างที่บริสุทธิ์และเป็นระเบียบ ทำให้อโนดที่ทำจากซิลนาโน มีสมรรถนะสูงกว่าที่ทำจากกราไฟท์ถึง 3 เท่า และจะยืดอายุของแบทเตอรีให้ยาวนาน โดยโครงการนี้ได้รับการสนับสนุนจากทั้ง DAIMLER (เดมเลร์) และ BMW (บีเอมดับเบิลยู) คาดว่า แบทเตอรีที่ใช้อโนดผลิตจากซิลนาโน จะมีสมรรถนะดีกว่ากราไฟท์ราว 40 % ส่วนหัวข้อสุดท้าย “ชาร์จไฟได้เร็วขึ้น” เราพบว่าบริษัทสตาร์ทอัพชื่อ สโตร์โดท (STOREDOT) ที่เกิดขึ้นที่ภาควิชา นาโนเทคโนโลยี (NANOTECH DEPARTMENT) ของมหาวิทยาลัยเทลอาวีฟ (TEL AVIV UNIVERSITY) ประเทศอิสราเอล ได้พัฒนาสิ่งที่เรียกว่า เซมิคอนดัคเตอร์ชีวภาพ (BIOLOGICAL SEMICONDUCTORS) ขึ้นมา จากองค์ประกอบของ เพพไทด์ (PEPTIDE) ในโปรตีน จนสามารถชาร์จแบทเตอรีสมาร์ทโฟนเต็มในเวลาเพียง 60 วินาทีเท่านั้น และตั้งเป้าว่า แบทเตอรีที่มีองค์ประกอบเชิงอินทรีย์สาร (ORGANIC COMPOUND) สามารถใช้เวลาเพียง 5 นาที ในการชาร์จไฟ เพื่อให้เดินทางได้ 160 กม. แน่นอนว่า ถ้าจะให้อธิบายเรื่องเทคโนโลยีชีวภาพนี้คงจะลำบากไม่น้อย เพราะเป็นเรื่องเคมีล้วนๆ ส่วนอีกเทคโนโลยีหนึ่งที่สร้างเสียงฮือฮาในวงการแบทเตอรี และว่ากันว่าจะเป็นตัวเปลี่ยนเกมเลย คือ “โซลิดสเตท แบทเตอรี” (SOLID STATE BATTERY) ซึ่งเป็นเรื่องของการเปลี่ยนวัสดุอีเลคทโรไลท์ (ELECTROLYTE) หรือตัวถ่ายเทประจุ ที่ดั้งเดิมเป็นของเหลวให้เป็นของแข็ง ซึ่งจะช่วยให้นอกจากจะชาร์จไฟได้เร็วขึ้นแล้ว ยังมีความเสถียรเรื่องความร้อน และความยืดหยุ่น ซึ่งจะเพิ่มความปลอดภัยขึ้นอีกมาก ปัจจุบันมีหลายค่ายกำลังเร่งพัฒนาเทคโนโลยีนี้ อาทิ TOYOTA ที่ใช้วัสดุ ซัลไฟด์ ซูเพอร์ไอโอนิค คอนดัคเตอร์ (SULFIDE SUPERIONIC CONDUCTORS) เป็นต้น เทคโนโลยีแบทเตอรีมีความสลับซับซ้อนไม่ใช่น้อย และยากที่จะอธิบายให้กระจ่างชัดไปได้ เพราะพื้นฐานความรู้ทางเคมีที่ใช้ในแบทเตอรีสมัยใหม่อยู่ในระดับที่สูงมาก แต่ถึงอย่างไร เราสามารถเชื่อได้ว่า ผลงานจากห้องวิจัย และสตาร์ทอัพชั้นนำทั่วโลกที่ทำงานด้านนี้ จะทำให้เทคโนโลยีที่เรามีอยู่กลายเป็นของตกรุ่นในเร็ววัน ทั้งด้านราคา ความเร็วในการชาร์จ และระยะทางวิ่ง ดังนั้น “ไม่ต้องรีบ” ก็ได้ครับ