8 นวตกรรมเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่สำคัญ

8 นวตกรรมเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่สำคัญ

ประกอบ คุปรัตน์
Pracob Cooparat
E-mail: pracob@sb4af.org

Keywords: การเดินทาง, transportation, การขนส่ง, สหรัฐอเมริกา, USA, United States, รถยนต์ไฟฟ้า, electric car, ev, PHEV, แบตเตอรี่, battery, การวิจัยและพัฒนา, R&D, research and development, IBM, 

Envia, MIT, Stanford, Michigan, Berkeley,

ศึกษาจาก “8 Potential EV and Hybrid Battery Breakthroughs” Why wild new battery technology could soon mean EVs with a 500 mile range. โดย Phil Berg

เป้าหมายสำคัญของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ (Battery technology) ที่จะใช้ในยานพาหนะใหม่นั้น คือ ต้องมีน้ำหนักเบาลง ให้พลังงานแน่นหนาขึ้น คือจุไฟฟ้าได้มากขึ้น ชาร์จไฟได้รวดเร็วขึ้น ใช้วัสดุที่ไม่แพง หาได้ในราคาจ่ายได้ตามที่มีอยู่ในโลก ทั้งหมดนี้มีเป้าหมายทำให้รถยนต์ไฟฟ้า (Electric car, EV) สามารถวิ่งได้ไกล 500 ไมล์ หรือ 800 กิโลเมตร ด้วยการชาร์จไฟเพียงครั้งเดียว

ปัจจุบัน รถยนต์ไฟฟ้าที่มีวิ่ง ทั้งที่เป็นรถยนต์ไฟฟ้าทั้งระบบ (Electric cars) อันได้แก่ Tesla Roadster, Nissan Leafs, Mitsubishi MiEVs และที่เป็นรถยนต์ไฟฟ้าลูกประสมแบบเสียบปลั๊ก (Plug-in Hybrid Electric Vehicles – PHEV) ดังเช่น Chevy Volt ของบริษัท GM, Fisker Karma เหล่านี้ ยังไม่สามารถเปิดตัวได้ดังพลุแตก ด้วยเหตุของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ยังก้าวไปไม่ถึง แม้มีหนทางที่จะกระทำได้ แต่เป็นเรื่องที่ยังต้องใช้เวลา

ในด้านการเลือกใช้วัสดุใดเป็นหลักในการพัฒนาแบตเตอรี่ไฟฟ้าใหม่นี้

แร่ลิเธียม (Lithium) เป็นแร่ธาตุที่มีศักยภาพในการผลิตแบตเตอรี่แบบใหม่ให้เห็นมากที่สุด และเป็นวัสดุหลักของแบตเตอรี่ที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือ (Mobilephone, SmartPhones) คอมพิวเตอร์กระเป๋าหิ้ว (Laptop) คอมพิวเตอร์แบบ Tablets ฯลฯ เหล่านี้ ในปัจจุบันใช้แบตเตอรี่แบบ Lithium-ion เป็นหลัก ลิเธียม (Lithium) ยังเป็นธาตุที่ยังมีในแหล่งตามธรรมชาติให้ใช้ได้อีกมาก แม้ราคาในปัจจุบันยังไม่ถูกนัก แต่เมื่อมีการนำมาใช้ประโยชน์กว้างขวางขึ้น ก็จะไปกระตุ้นกระบวนการผลิตให้ขยายกว้างขึ้น ซึ่งจะทำให้ราคาถูกลง

แต่เฉพาะการใช้ลิเธียมในรูปประสมอย่างไร จึงจะให้พลังไฟฟ้าที่มากที่สุด ชาร์จไฟได้เร็ว เช่นภายใน 20-30 นาที และมีอายุยาวนาน ไม่เสื่อมเร็ว เช่น ใช้ไปเต็มที่แล้ว 5 ปี แต่ยังให้พลังไฟฟ้าได้ไม่ต่ำกว่าร้อยละ 80 ของสมรรถนะสูงสุด ทนทานในสภาพอากาศ ให้พลังอย่างเชื่อถือได้แม้สภาพอากาศร้อนจัดดังในทะเลทรายในตะวันออกกลาง หรือหนาวจัด แม้เมื่อใช้งานในเขตหนาวจัด ดังในประเทศสแกนดิเนเวีย หรือ อลาสกา (Alaska) หรือรัฐเมน (Maine) ในสหรัฐอเมริกา ก็มีประสิทธิภาพสูงไม่ตก หรือมีผลกระทบน้อยที่สุด

ซึ่งการศึกษาเพื่อหาทางใช้ประโยชน์จากแร่ลิเธียมเพื่อทำแบตเตอรี่ไฟฟ้า ให้เหมาะแก่การใช้เป็นแบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้ายิ่งขึ้น อย่างน้อยยังอุ่นใจได้ว่า มี 8 หน่วยงานในสหรัฐอเมริกา ที่กำลังวิจัยและพัฒนาอย่างเร่งรีบ ใครประสบผลสำเร็จได้ตามวัตถุประสงค์ ก็จะได้ลิขสิทธิ์ทางปัญญา มีผลประโยชน์ตามมาอีกมหาศาล หรือหากเป็นมหาวิทยาลัย ก็จะได้รับเงินรางวัล และการสนับสนุนด้านการวิจัยจากรัฐบาลกลางของสหรัฐอย่างต่อเนื่องยาวนาน

แนวทางเทคโนโลยี และหน่วยงานดำเนินการ มีดังนี้

1.    Carbon Nanotube Electrode Lithium โดย Massachusetts Institute of Technology หรือที่เรียกว่า MIT ในรัฐแมสสาชูเสทส์ ทางฝั่งตะวันออกของสหรัฐอเมริกา

คาร์บอนลิเธียมอิเลคโทรดนาโนทิวบ์ (Carbon Nanotube Electrode Lithium)

แคโทด (Cathode) หรือขั้วลบ ซึ่งสามารถเก็บและปล่อยกระแสไฟไอออนบวก (Positive ions) มากกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมที่มีอยู่ และการพัฒนาโดยใช้นาโนทิวบ์ (Nanotube) การพัฒนาคาโทดสำหรับแบตเตอรี่ใหม่นี้จะช่วยทำให้คุณสมบัติประสมกันระหว่างแบตเตอรี่และ Capacitor ช่วยในการเก็บไฟและส่งกระแสไฟได้มากกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้กันในปัจจุบัน

2.    Copper Nanowire Cathode Lithium โดย Colorado State University  หรือ

ทองแดงลิเธียมแคโทด กับการใช้เส้นทองแดงขนาดจิ๋ว (nanowire)

การใช้เส้นใยทองแดงเป็นตัวสื่อไฟฟ้า โดยใช้เส้นใยที่มีขนาดเล็กมาก เพียง 1 ในพันของเส้นผมมนุษย์ที่จะสะสม Ions ได้ตลอดทั้งพื้นผิว แทนที่จะต้องใช้แผ่นโลหะแบบแบน นอกจากนี้ทองแดง (Copper) ยังทนความร้อนได้ดีกว่าวัสดุอื่นๆ ส่วนความสามารถจัดเก็บ Ions กล่าวได้ว่ามากกว่าวัสดุพวกกราไฟท์ (Graphite) ดังที่ใช้กันในปัจจุบัน

3.    Lithium Air Carbon โดย IBM เคยเป็นบริษัทใหญ่สุดทางด้านเทคโนโลยีสารสนเทศและคอมพิวเตอร์ ในปี ค.ศ. 2012, Fortune จัดอันดับให้ IBM เป็นบริษัทใหญ่สุดอันดับ 2 ในด้านจำนวนคนทำงาน คือมีคนทำงาน 433,362 คน เป็นอันดับ 4 ในด้านตลาด (market capitalization) อันดับที่ 9 ในเชิงผลตอบแทนมากที่สุด (Most profitable) และ อันดับที่ 19 ในด้านเงินรายได้

เทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบ “คาร์บอนลิเธียมอากาศ” ได้รับความสนใจจากนักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่ทศวรรษที่ 1970s เจตนาคือเพื่อเพิ่มความสามารถของแบตเตอรี่ในการเก็บพลังไฟฟ้าจากที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

IBM มีเป้าหมายที่จะเป็นหนึ่งในบริษัทที่จะแข่งขัน ที่จะสร้างแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าใหม่ที่สามารถวิ่งได้ 500 ไมล์ หรือ 800 กิโลเมตร ด้วยการชาร์จไฟเพียงครั้งเดียว ซึ่งเทียบระยะทางจากเมืองลอสแองเจลิสในแคลิฟอร์เนีย ไปยังเมืองฟีนิกส์ และยังมีไฟฟ้าเหลือพอขับไปทั่วๆเมือง

IBM อธิบายอย่างง่ายๆ คาร์บอนลิเธียมอากาศ คือการทำให้ “แบตเตอรี่หายใจได้” ระบายความร้อนได้ดี แต่ขณะเดียวกัน Oxygen ก็ในอากาศก็ไม่ทำให้สื่อ Electrolyte หมดสภาพไป แต่ IBM ให้เหตุผลในขณะนี้ว่า สิ่งที่ทำยังเป็นระดับแนวคิด และกว่าที่จะให้ผลในทางปฏิบัติ ก็จะต้องเป็นราวปี ค.ศ. 2020 หรืออีก 7 ปีข้างน้า

4.    Lithium Silicon โดย Northwestern University

ซิลิคอนลิเธียม (Lithium Silicon) เป็นแนวทางเทคโนโลยีที่มหาวิทยาลัย มหาวิทยาลัยนอร์ธเวสเทอร์น (Northwestern University) เลือกใช้

ซิลิคอน (Silicon) เป็นธาตุที่พบได้มากที่สุดเป็นอันดับ 8 ในจักรวาล พบในดินและทรายทั่วไป

การเลือกพัฒนา silicon electrodes แทนที่จะเป็นคาร์บอน ด้วยหวังว่าแบตเตอรี่จะสามารถเก็บไฟฟ้าได้มากขึ้น ทำให้เพิ่มระยะทางวิ่ง อีกด้านหนึ่ง การใช้ซิลิคอน (Silicon) จะมีคุณสมบัติรองรับการขยายตัวและหดตัวในขณะที่ดูดซับและปล่อย Ions แบตเตอรี่ในแบบดังกล่าวสามารถเคลื่อน Ions ได้เร็วกว่า ทำให้สามารถลดระยะเวลาในการชาร์จแบตเตอรี่ของรถยนต์

5.    Carbon Foam Capacitor Hybrid โดย Michigan Technological University

คาร์บอนไฮบริด Capacitor โฟม (Carbon Foam Capacitor Hybrid) โดยมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีแห่งมิชิแกน เป็นแนวคิดลูกประสม จุดมุ่งหมายคือทำให้แบตเตอรี่มีน้ำหนักเบาลงกว่าที่แบตเตอรี่ใช้ลิเธียมในปัจจุบัน และสามารถให้ไฟฟ้าได้มากกว่าระบบเก็บไฟแบบ Capacitor ทั่วไป และยังสามารถชาร์จไฟได้หลายพันครั้ง โดยไม่แสดงขีดความสามารถที่ตกลงไป

6.    Lithium Silicon Polymer โดย Lawrence Berkeley National Laboratory (Department of Energy)

Lawrence Berkeley National Laboratory หรือเรียกว่า Berkeley Lab เป็นหน่วยงานภายใต้กระทรวงพลังงานของสหรัฐ (U.S. Department of Energy - DOE) เป็นงานวิจัยที่ไม่เปิดเผยทางด้านวิทยาศาสตร์ ตั้งอยู่ในบริเวณของมหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียที่เมืองเบอร์คเลย์ (University of California, Berkeley) บริหารและดำเนินการให้กับกระทรวงวิทยาศาสตร์ โดยมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

ลิเธียมโพลิเมอร์ซิลิคอน (Lithium Silicon Polymer) ความต่างจากการใช้ขั้วไฟฟ้าซิลิคอนทั่วไป (Silicon electrodes) คือการใช้โพลิเมอร์เป็นตัวช่วยรักษาโครงสร้างขัวไฟฟ้าซิลิกอนในขณะที่มันต้องขยายตัวและหดตัวบ่อยๆ ในช่วงการใช้งาน

7.    Lithium Sulfur Carbon Nanofiber โดย Stanford University

เส้นใยนาโนคาร์บอนกำมะถันลิเธียม (Lithium Sulfur Carbon Nanofiber) เป็นแนวคิดการวิจัยและพัฒนาของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) มหาวิทยาลัยวิจัยของเอกชนที่มีชื่อเสียง ซึ่งตั้งอยู่ในรัฐแคลิฟอร์เนีย

นักวิทยาศาสตร์ที่สแตนฟอร์ดกล่าวว่า ซิลิคอนมีความสามารถในการจัดเก็บลิเธียม-ไอออนส์ ได้มากกว่าอิเลคโทรดในปัจจุบัน ทำให้แบตเตอรี่มีความสามารถจัดเก็บไฟฟ้าได้หนาแน่นกว่า แต่ซิลิคอนขยายตัวอย่างมากเมื่อรับไอออนส์ (Ions) ซึ่งจะทำให้การเป็นตัวสื่อนำมีการขาดตอน แต่อย่างไรก็ตาม การใช้เส้นใยขนาดจิ๋ว (Nanofibers) ที่ทำจากซิลิคอน จะช่วยลดปัญหานี้

นอกจากนี้ นักวิจัยยังพบว่าหลอดจิ๋วคาร์บอน (Carbon Nanotubes) ที่เคลือบภายในด้วยซัลเฟอร์ จะช่วยทำให้แบตเตอรี่จัดเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมธรรมดาถึง 10 เท่า นอกจากนี้คือในเรื่องของการที่เทคโนโลยีนี้ไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อม

8.    Lithium Manganese Composite/Silicon Carbon Nanocomposite โดย Envia Systems

Envia เป็นบริษัทที่ประกาศว่าได้ทำสถิติแบตเตอรี่ที่มีพลังไฟฟ้าหนาแน่นระดับ 400W/kg จากวัสดุ Lithium-ion ซึ่งนับเป็นสถิติโลกในปัจจุบัน   

Envia มีเป้าหมายหลักโดยเลือกใช้แมงกานีส (Manganese) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีอยู่มากเหลือเฟือในโลกเป็นส่วนประกอบของแบตเตอรี่ เพราะแมงกานีสราคาไม่แพง Envia ได้รับเงินอุดหนุนจากรัฐบาลกลาง ตามแนวคิดของ Envia หากสำเร็จจะทำให้มีแบตเตอรี่ราคาไม่แพง ที่สามารถวิ่งได้ในระยะทาง 300 ไมล์ หรือ 480 กิโลเมตร โดยการชาร์จไฟครั้งเดียว