ตำนานแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

สมาคมยานยนต์ไฟฟ้าไทย ELECTRIC VEHICLE ASSOCIATION OF THAILAND - EVAT·FRIDAY, SEPTEMBER 23, 2016

ผศ.ดร. นงลักษณ์ มีทอง  ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์  มหาวิทยาลัยขอนแก่น

วันนี้ คงไม่มีใครไม่รู้จักรถยนต์ไฟฟ้า โดยเฉพาะรถไฟฟ้าเทสล่าสัญชาติอเมริกัน ที่กำลังเป็นที่หมายปองของใครหลายๆคน ด้วยรูปลักษณ์ภายนอกที่สวยงาน ทันสมัย มาพร้อมกับฟังก์ชั่นใช้งานอัจฉริยะมากมาย และที่ขาดไม่ได้ คือสามารถวิ่งได้ระยะทางไกลถึงกว่า 400 กิโลเมตรต่อการชาร์จ 1 ครั้ง โดยที่เสียค่าไฟฟ้าราว 200 กว่าบาทเท่านั้น และแน่นอน เทคโนโลยีที่ถือเป็นหัวใจสำคัญของยานยนต์ไฟฟ้า คือ แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน    

วันนี้ เราจะมาทำความรู้จักถึงประวัติเล็กๆน้อยๆของแบตเตอรี่ชนิดนี้ว่ามีที่มาอย่างไร มีใครเป็น key players หลัก และมีการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ไปใช้ในรถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใดแล้วบ้าง

แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนถูกพัฒนามาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ประมาณปีค.ศ. 1970s เพื่อแก้ปัญหาระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าในอดีตที่มีความสามารถกักเก็บพลังงานได้น้อย เทอะทะ และมีน้ำหนักมาก โดยถูกคิดค้นเพื่อนำมาทดแทนแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรด (ถูกประดิษฐ์คิดค้นตั้งแต่ปืค.ศ. 1859) และนิกเกิล-แคดเมียม (ถูกประดิษฐ์คิดค้นตั้งแต่ปืค.ศ. 1899) และถือเป็นเทคโนโลยีคู่แข่งที่เหนือกว่าอย่างมากของแบตเตอรี่ชนิดนิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ (commercialize ในราวปี ค.ศ. 1990) ในช่วงปีค.ศ. 1970s ได้มีความพยายามในการนำลิเทียมมาใช้ในแบตเตอรี่ เนื่องจากเป็นธาตุที่มีศักย์เคมีไฟฟ้าสูงสุดและเป็นโลหะที่มีความหนาแน่นน้อยที่สุดในตารางธาตุ ซึ่งหมายถึงแบตเตอรี่ชนิดนี้จะสามารถกักเก็บพลังงานสูงกว่าตะกั่ว นิกเกิล และแคดเมียม เป็นอย่างมาก โดยกลุ่มวิจัยที่ประดิษฐ์แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมขึ้นเป็นครั้งแรก คือ ทีมของ Prof. Stanley Whittingham แห่ง Binghamton University (สหรัฐอเมริกา) โดยได้รับการสนับสนุนจากบริษัท Exxon ซึ่งวางแผนจะ Commercialize แบตเตอรี่ชนิดลิเทียม-ไทเทเนียมไดซัลไฟด์ (Li-TiS2) แต่ก็ไม่สำเร็จเนื่องจากประสบปัญหาหลายประการในระหว่างการผลิตวัสดุ อย่างไรก็ตามบริษัท NEC/Moli Energy (แคนาดา) สามารถ Commercialize แบตเตอรี่ชนิดลิเทียม-โมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (Li-MoS2) ซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างคล้ายกันกับของ Prof. Whittingham โดยมี Prof. Jeff Dahn แห่ง Dalhousie University (แคนาดา) ซึ่งขณะนั้นเป็นหัวหน้าทีมวิจัยในบริษัทฯเป็นผู้พัฒนาขึ้น แต่ผลิตขายได้เพียงไม่กี่ปี ก็จำต้องเลิกผลิต เพราะเกิดปัญหาการไหม้ไฟ เนื่องจากเมื่อผ่านการอัดประจุซ้ำหลายๆครั้งจะทำให้โลหะลิเทียมซึ่งใช้เป็นขั้วแอโนดเกิดการงอกและทิ่มทะลุแผ่นกั้นขั้ว เกิดการลัดวงจร และนำไปสู่การระเบิดในที่สุด    

ในช่วงปีค.ศ. 1980s ทีมวิจัยทั่วโลกหลายทีมได้พยายามศึกษาวัสดุที่เหมาะสมสำหรับนำมาใช้เป็นขั้วไฟฟ้าและสารอิเล็กโทรไลต์ในแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเทียมนี้ เช่น ทีมของ Prof. Robert Huggins แห่ง Stanford University (สหรัฐอเมริกา) ทีมของ Prof. John Goodenough แห่ง Oxford University (อังกฤษ) ทีมของ Prof. Rachid Yazami แห่ง CNRS (ฝรั่งเศส) ทีมของ Akira Yoshino แห่ง Asahi - Toshiba และทีมของ Yoshio Nishi แห่ง Sony (ญี่ปุ่น) ซึ่งทีมที่ประสบความสำเร็จในการ Commercialize แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออน เป็นทีมแรกในปีค.ศ. 1991 คือ ทีม Sony โดยใช้วัสดุ Lithium Cobalt Oxide (LCO) ที่คิดค้นโดยทีมจากอเมริกาและอังกฤษเป็นขั้วแคโทด ใช้วัสดุคาร์บอน (แกรไฟต์) ที่คิดค้นโดยทีมฝรั่งเศสเป็นขั้วแอโนด และใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ชนิด non-aqueous ที่คิดค้นขึ้นเอง เป็นองค์ประกอบสำคัญ และทีมที่ Commercialize เป็นทีมที่ 2 คือ Asahi-Toshiba โดยใช้องค์ประกอบสำคัญเดียวกัน และองค์ประกอบหลักทั้งสามชนิดนี้ยังถูกใช้ในแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนมาจนถึงปัจจุบัน

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากราคาที่สูงและปัญหาความไม่เสถียรของ LCO ซึ่งส่งผลให้ไม่ปลอดภัยขณะใช้งานและแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานสั้น ทำให้มีการพัฒนาวัสดุขึ้นมาทดแทนโคบอลต์หลายชนิด เช่น Lithium Nickel Cobalt Aluminum (NCA) Oxide ถูกพัฒนาโดยบริษัท SAFT และ Panasonic EV Energy (หรือ PEVE ซึ่งต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็น Primearth EV Energy และผลิตทั้งแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนและนิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์สำหรับรถไฮบริดของรถยนต์แบรนด์ญี่ปุ่น) วัสดุ Lithium Manganese Oxide Spinel (LMO) โดยบริษัท Hitachi บริษัท Samsung บริษัท Sanyo (ในปี 2009 ถูกขายให้กับบริษัท Panasonic) บริษัท GS-Yuasa บริษัท LG-Chemical บริษัท NEC/Moli-Energy และบริษัท Toshiba และ วัสดุ Lithium Manganese Nickel Cobalt (NMC) Oxide โดยบริษัท Sony บริษัท PEVE บริษัท LG-Chemical บริษัท Hitachi และบริษัท Samsung เป็นต้น อย่างไรก็ตาม วัสดุทั้งหลายที่ถูกพัฒนาขึ้นมาทดแทนโคบอลต์ก็ยังมีส่วนผสมของโคบอลต์หรือนิกเกิลที่มีความเป็นพิษสูงไม่มากก็น้อย จึงทำให้มีการพัฒนาวัสดุขึ้นมาอีกชนิดหนึ่งคือ Lithium Iron Phosphate (LFP) โดยขั้วไฟฟ้าชนิดใหม่นี้ เป็น core technology ของหลายๆบริษัทเกิดใหม่ที่เป็น Clean tech start-up ในสหรัฐอเมริกา ในช่วงปี 2000 ได้แก่ บริษัท A123 Systems ก่อตั้งโดยทีมของ Prof. Yet-Ming Chiang แห่ง Massachusetts Institute of Technology (MIT) และบริษัท Valence Technology รวมถึงบริษัทใหญ่ๆทั้งหลายเช่น บริษัท GS Yuasa บริษัท SAFT(ฝรั่งเศส) บริษัท Lishen (จีน)และ BYD (จีน) ก็มีการผลิตและจำหน่ายแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่ใช้ LFP เป็นขั้วไฟฟ้าด้วย โดยมีการคาดการว่าแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ที่ผลิตในประเทศจีน จะใช้วัสดุประเภทนี้ โดยมักจะเรียกชื่อว่า หรือ ลิเทียมเฟอร์โรฟอสเฟส หรือ แบตเตอรี่“Fe” ในทางการค้า โดยวัสดุชนิดใหม่นี้ มีข้อได้เปรียบวัสดุอื่นๆที่ถูกใช้ในอดีต คือ มีความสามารถในการเก็บพลังงานสูง มีความปลอดภัยสูง ราคาของวัตถุดิบที่ถูกลง (ใช้ Fe ที่มีราคาต่ำกว่า Co และ Ni เป็นสารตั้งต้น) มีความเสถียรสูง และมีกำลังที่สูง สามารถใช้ในงาน high power เช่นใน power tools หรือในรถยนต์ไฟฟ้าได้    

สำหรับในปัจจุบัน แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนที่นำมาใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า มีความปลอดภัยสูง เนื่องจากมีการวิจัยและพัฒนาทั้งตัววัสดุและระบบการจัดการแบตเตอรี่ต่างๆมาตลอดระยะเวลากว่า 30 ปี โดยเราสามารถแบ่งแนวทางในการทำให้แบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้ามีความปลอดภัยได้ 3 แนวทาง ใหญ่ๆ คือ    

1) ใช้ Extreme engineering approach กล่าวคือ แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนประเภทนี้ จะมีระบบควบคุมและการจัดการทางไฟฟ้า ทางเคมี และทางความร้อนที่ถูกออกแบบทางวิศวกรรมอย่างแน่นหนา ทุกเซลล์แบตเตอรี่จะถูก Monitor และควบคุมเป็นรายเซลล์ โดยที่ใช้เซลล์แบตเตอรี่ที่ผลิตจากขั้วแคโทด LCO และ LCA ของบริษัท PEVE เป็นส่วนใหญ่ อย่างเช่น ในรถยนต์ไฟฟ้า Tesla Roadster เป็นต้น แบตเตอรี่ที่ผลิตจะมีทั้งแบบทรงกระบอกและแบบทรงสี่เหลี่ยม แต่ส่วนมากจะเป็นแบบทรงกระบอกมีลักษณะเช่นเดียวกันกับแบตเตอรี่ในเครื่องคอมพิวเตอร์แบบพกพา  

2) ใช้ Modified Chemistry approach กล่าวคือ เนื่องจากเป็นที่ทราบกันดีว่าการใช้ LCO เป็นสาเหตุหลักของความไม่ปลอดภัยในแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนรุ่นเดิม เพราะมีโคบอลต์เป็นองค์ประกอบหลัก ทำให้มีการ Modified ส่วนประกอบทางเคมีโดยการใช้โคบอลต์ในอัตราส่วนที่ลดลงและหันไปใช้แมงกานีสและนิกเกิลแทน โดยที่โครงสร้างของวัสดุไม่เปลี่ยนแปลงนัก ตัวอย่างรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ประเภท LMO ผสมกับ NMC เช่น รถ Nissan Leaf ซึ่งใช้แบตเตอรี่ของบริษัท NEC รถ GM Chevy Volt และ Volvo S60 ใช้แบตเตอรี่ของ LG Chemical และ รถ BMW i3 ใช้แบตเตอรี่ของ Samsung SDI (เป็นส่วนใหญ่) เป็นต้น

3) ใช้ New Material approach กล่าวคือ ใช้วัสดุโครงสร้างใหม่ที่ไม่ใช่ออกไซด์ คือ LFP ซึ่งเป็นวัสดุที่มีโครงสร้างเสถียรกว่าเดิม และมีความปลอดภัยสูงเพราะปราศจากโคบอลต์และนิกเกิลในโครงสร้าง ตัวอย่างรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ประเภท LFP เช่น รถยนต์ไฟฟ้าของบริษัท BYD รถ e-Bus ของบริษัท BYD บริษัท Kinglong และบริษัท Daimler Orion VII เป็นต้น  

ขณะนี้ รัฐบาลของประเทศเรากำลังสนับสนุนให้มีการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับยานยนต์ไฟฟ้าอย่างจริงจัง โดยมีความคาดหวังให้ประเทศไทยสามารถผลิตชิ้นส่วนและอุปกรณ์จำเป็นในยานยนต์ไฟฟ้า เช่น แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนและมอเตอร์ไฟฟ้า เพื่อใช้เองภายในประเทศและสร้างแบรนด์ยานยนต์ไฟฟ้าของเราไว้ใช้เองโดยไม่ต้องพึ่งพาเทคโนโลยีจากต่างประเทศ รวมถึงเพื่อสร้างฐานการพัฒนาให้มีความเข้มแข็งและแข่งขันในตลาดโลกได้ในอนาคต โดยผู้เขียนเชื่อเสมอว่า หากทุกหน่วยงานที่เกี่ยวข้องทั้งภาครัฐบาล ภาคเอกชน และภาควิชาการได้พยายามร่วมมือร่วมใจกัน เราจะสามารถสร้างฝันนี้ให้เป็นจริงได้ภายในอนาคตอันใกล้  

อ้างอิงรูป

http://fortune.com/2015/05/18/tesla-grid-batteries-chemistry/ http://fortune.com/2015/07/27/battery-startup-china/