ปัจจุบันทุกคนน่าจะคุ้นชินกับแบตเตอรี่ในอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าอย่าง Lithium-ion (Li-ion) หรือตัวพัฒนาขึ้นเพิ่มเติมอย่าง Lithium-Polymer (Li-Polymer) กันเป็นอย่างดี แม้พวกมันจะพลิกโฉมประวัติศาสตร์มาอย่างยาวนาน แต่ด้วยความต้องการใช้พลังงานที่เพิ่มมากขึ้น และข้อจำกัดที่ไม่สามารถพัฒนาต่อไปได้ นักวิทยาศาสตร์จึงได้คิดค้นแบตเตอรี่ยุคใหม่อย่าง  Solid-state battery ขึ้นมา แต่มันจะดีกว่าเดิมอย่างไร มีจุดเด่นอะไรบ้าง เราจะนำมาเล่าให้ได้ทราบกัน

แบตเตอรี่ Li-ion ทำงานอย่างไร?

ก่อนที่จะไปทำความรู้จักกับ Solid-state battery เราขอพาเพื่อนๆ ทำควารู้จักเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบตเตอรี่ Li-ion กันก่อนซักหน่อยว่ามันทำงานอย่างไร ที่เราเรียกลิเธียมไอออน นี่มันคือส่วนไหนของแบต และมันเก็บพลังงานอย่างไร ก่อนอื่นเราไปดูที่ส่วนประกอบของมันกันก่อน ซึ่งจะมีอยู่ทั้งหมด 4 ส่วน ดังนี้

  • Cathode ขั้วบวก คือสารประกอบของลิเธียมออกไซด์ เป็นแหล่งของไอออนลิเธียมในแบตเตอรี่
  • Anode ขั้วลบ คือสารประกอบจำพวกแกรไฟต์ เป็นแหล่งกักเก็บและปลดปล่อยไอออนลิเธียม
  • Seperator ตัวแยกขั้วบวก-ขั้วลบออกจากกัน หากสองขั้นแตะกันขึ้นมาจะทำให้แบตลัดวงจรและใช้การไม่ได้
  • Electrolyte ของเหลวที่ใช้เป็นตัวกลางให้ลิเธียมไอออนวิ่งผ่าน และแยกอิเลคตรอนไปเป็นพลังงาน

ส่วนตัวกระแสไฟที่มาเป็นพลังงานให้กับอุปกรณ์ต่างๆ จะเป็นตัวอิเล็คตรอน (Electron)

Image Credit: The Four Components of a Li-ion Battery

เอาล่ะถึงตรงนี้อย่าเพิ่งสับสนนะครับ ผมจะอธิบายกลไกการทำงานของแบตเตอรี่แบบง่าย ๆ ให้ลองนึกภาพตามกันเลยนะ

  1. ในสภาวะปกติที่ไม่ได้มีการชาร์จไฟ อิเลคตรอนจะเกาะลิเธียมไอออนและอยู่กันที่ฝั่ง “Anode” หรือขั้วลบ
  2. เมื่อมีการใช้งานจะเกิดการวิ่งของลิเธียมไอออนจากขั้วลบไปบวก ผ่าน Electrolyte ส่วนอิเล็คตรอนจะไปด้วยไม่ได้ เลยจะต้องไปวิ่งผ่านแผงวงจร หรืออุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ทำให้เกิดเป็นพลังงานไฟฟ้าขึ้นมา
  3. เมื่อลิเธียมไอออนวิ่งข้ามฝั่งจากขั้วลบไปบวกจนแทบไม่เหลือแล้ว ก็จะไม่มีอิเล็คตรอนวิ่งให้พลังงาน เช่นกัน  นั่นเองที่เราเรียกว่า “แบตหมด”
  4. การชาร์จไฟ จะเป็นการส่งเอาอิเล็คตรอนเข้าไปที่ Anode เพื่อเรียกให้ลิเธียมไอออนย้ายฝั่งกลับมาที่ขั้วลบอีกครั้ง และย้อนกระบวนการกลับไปข้อ 1

ถ้ายังไม่เห็นภาพ เข้าไปดูการทำงานได้จากคลิปด้านล่างนี้ (อย่าไปสนใจดีเทลเล็กน้อยนะ เดี๋ยวจะมึนกัน 555)

Play video

และนี่คือกระบวนการทำงานแบบสรุปสั้นๆง่ายๆ ของแบตเตอรี่ Li-ion เพราะฉะนั้น ความจุของแบตเตอรี่จะขึ้นอยู่กับปริมาณลิเธียมไอออนที่สามารถวิ่งจากขั้วลบไปยังขั้วบวกนั่นเองครับ1

ข้อจำกัดของ Li-ion/Li-Polymer

จากข้อมูลข้างต้นจะพบว่าแบตเตอรีแบบ Li-ion ยังมีส่วนประกอบสำคัญอีก 2 ส่วน คือ อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ที่เป็นของเหลว และ Seperator ซึ่งกั้นไม่ให้ขั้วทั้งสองมาชนกัน ปัญหามันอยู่ตรงนี้นี่แหละ ด้วยความที่อิเล็กโทรไลต์เป็นของเหลว มันจึงต้องการพื้นที่ประมาณหนึ่งในการบรรจุ ทำให้แบตเตอรี่ 1 ก้อนมีความจุค่อนข้างจำกัดครับ

ประการถัดมายังอยู่ที่ปัญหาของอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากของเหลวเป็นสสารที่มีจุดเดือดต่ำ ทำให้เวลามันอยู่ในที่อากาศร้อนมาก ๆ ของเหลวจะเกิดการขยายตัวดันให้แบตเตอรี่พองออก เป็นเหตุให้แบตเตอรี่ระเบิดได้ !! หรือการใช้งานในที่ที่มีอุณหภูมิต่ำจนเกินไป อิเล็กโทรไลต์จะค่อย ๆ กลายเป็นของแข็ง (เหมือนน้ำเข้าช่อง Freeze) ปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่จึงดำเนินการต่อไปไม่ได้ แบตเตอรี่ของคุณอาจจะหยุดทำงานไปดื้อ ๆ จนกว่าอุณหภูมิจะกลับมาปกติ

Image Credit: radovan on Unsplash

ในเวลาต่อมาจึงได้มีการพัฒนาแบตเตอรี่แบบ Li-Polymer ออกมาแทน ซึ่งแตกต่างจาก Li-ion ตรงส่วนของอิเล็กโทรไลต์ ที่เปลี่ยนจากของเหลวเป็นสารกึ่งเหลวเหมือนเจล ทำให้แบตเตอรีมีโอกาสระเบิดได้น้อยกว่า นอกจากนี้ยังสามารถออกแบบให้บางได้มากกว่า Li-ion แบตเตอรีแบบ Li-Polymer จึงนิยมนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานให้กับสมาร์ทโฟนนั่นเองครับ

ทั้งนี้ แม้ว่า Li-Polymer จะมีจุดเด่นกว่าในเรื่องของความปลอดภัยและการนำไปใช้ แต่พวกมันก็ยังมีความจุที่จำกัด ส่วนมากมักจะจุได้ไม่เกิน 5000 mAh และยังสามารถเกิดเดนไดรต์ (Dendrite) ได้ด้วย

และนั่นจึงเป็นที่มาของข้อจำกัดประการที่ 3 – ถ้ายังจำกันได้ เวลาชาร์จไฟจะทำให้ลิเธียมไอออนวิ่งจากขั้วบวกมายังขั้วลบ เพื่อเก็บประจุไฟไว้รอการใช้งาน จังหวะนี้แหละที่ก่อให้เกิดเดนไดรต์ขึ้นมา คือเวลาที่ลิเธียมไอออนวิ่งมาชนที่แผ่นแกรไฟต์ของขั้วลบ มันจะเกิดการสะสมกลายเป็นกิ่งก้าน (เหมือนกิ่งก้านของต้นไม้) และปลายของกิ่งเดนไดรต์มีความคมมาก ซึ่งเมื่อมีการชาร์จไฟไปเรื่อย ๆ กิ่งเดนไดรต์จะยาวขึ้นจนกระทั่งแทงทะลุส่วนของ Seperator สุดท้ายแบตเตอรีของคุณจะลัดวงจร ไม่สามารถจ่ายกระแสไฟได้อีก2

สรุปข้อจำกัดของแบตเตอรี Li-ion/Li-Polymer ได้ดังนี้ 1) ความจุจำกัด  2) ใช้งานได้ในอุณหภูมิจำกัด  3) เกิดเดนไดรต์ เพราะฉะนั้น เพื่อกำจัดปัญหาเหล่านี้ออกไป นักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นแบตเตอรีชนิดใหม่ “Solid-state battery” ขึ้นมานั่นเองครับ

Image Credit: SLAC National Laboratory, Stanford University

อิเล็กโทรไลต์เจ้าปัญหา เอามันออกไปซะ!

จากข้อจำกัดข้างต้นทั้ง 3 ข้อจะเห็นได้ว่าสาเหตุต่างๆ ที่ทำให้พัฒนาต่อยากก็คือ อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้น ถ้าหากเปลี่ยนตัวกลางระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ จากของเหลวมาเป็นของแข็งก็น่าจะช่วยแก้ไขข้อจำกัดเหล่านี้ได้

Solid-state battery แปลตรง ๆ คือแบตเตอรีชนิดแข็ง ที่เป็นเช่นนั้นเพราะอิเล็กโทรไลต์เหลวถูกเปลี่ยนเป็นอิเล็กโทรไลต์แข็ง ๆ แทน (ส่วนมากจะเป็นสารจำพวกแก้ว) คราวนี้เราจะสามารถจับให้ขั้วบวกและขั้วลบอยู่ชิดกันได้มากขึ้น ประหยัดพื้นที่มากขึ้น และที่สำคัญคือได้ความจุแบตเตอรีเพิ่มมากขึ้นราว 2-10 เท่าของแบตเตอรีแบบ Li-ion/Li-Polymer อีกทั้งยังมีรอบการชาร์จแบตยาวนานกว่า 10 ปีเลยทีเดียว3

Image Credit: Probing Li-ion transport in Sulfide-based solid-state batteries

สำหรับเรื่องความปลอดภัยในการใช้งาน ส่วนประกอบของแบตเตอรีแบบ Solid-state จะไม่ติดไฟ และด้วยความที่อิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็ง จุดเดือดของมันจึงสูงกว่าอิเล็กโทรไลต์แบบเหลวมาก โอกาสที่แบตจะบวมจนระเบิดจึงเป็นไปได้ยาก แถมยังทนต่อสภาพอากาศแบบสุดขั้วทั้งร้อนและเย็นจัดอีกด้วย

แต่ก็ไม่ใช่ว่ามันจะไม่มีปัญหาเลยนะครับ จากที่ผมได้ลองค้นหาข้อมูลเพิ่มเติมพบว่าแบตเตอรีแบบ Solid-state ยังสามารถเกิดเดนไดรต์ขึ้นมาได้ แถมยังรุนแรงกว่าในแบตเตอรี Li-ion/Li-Polymer อันเนื่องมาจากขั้วบวกยังคงใช้ลิเธียมอยู่ (เพราะมันเป็นโลหะที่มีประจุสูง จึงเหมาะสมที่จะนำมาใช้ที่สุดแล้ว) ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ก็พยายามที่จะแก้ไขปัญหานี้ ไม่ว่าจะเป็นการเปลี่ยนไปใช้โลหะอื่นแทนลิเธียม หรือการปรับโครงสร้างของอิเล็กโทรไลต์แข็งให้เป็นแบบร่างแห เป็นต้น วิธีการเหล่านี้จะช่วยลดการแผ่กิ่งก้านของเดนไดรต์ได้ หรืออาจจะหยุดไม่เกิดเดนไดรต์ได้อีกเลย4

ของดีขนาดนี้ทำไมไม่นำมาใช้สักที?

นั่นเป็นเพราะเทคโนโลยีใดก็ตามที่เพิ่งคิดค้นได้ใหม่ ๆ ยังต้องมีการพัฒนาปรับปรุงประสิทธิภาพก่อนการนำมาใช้ จากที่ผมอธิบายไว้ข้างต้นจะเห็นได้ว่า Solid-state battery เองก็ยังมีข้อจำกัดในการนำมาใช้ ดังเช่นกรณีการเกิดเดนไดรต์ที่รุนแรง กว่าจะนำมาใช้ได้อย่างไม่มีปัญหาคงต้องพัฒนาปรับปรุง และทดสอบเพื่อความปลอดภัยกันอีกพอควร หากรีบปล่อยวางจำหน่ายแต่เกิดระเบิดขึ้นมาแต่แรกเริ่ม อาจจะทำให้คนกลัวและไม่กล้าใช้งานกันไปอีกยาวนานได้

นอกจากนี้ยังมีเหตุผลในเชิงพาณิชย์ เป็นต้นว่าเทคโนโลยีที่เพิ่งคิดค้นใหม่ ยังมีการผลิตในปริมาณน้อย ส่วนใหญ่ทำออกมาเพื่อทดสอบประสิทธิภาพ พวกมันจึงมีราคาค่อนข้างสูง การนำมาใช้ก็อาจจะยังไม่เหมาะ รวมถึงผู้ผลิตจึงต้องศึกษาประสิทธิภาพและความปลอดภัยของ Solid-state battery ให้ดีก่อนตัดสินใจผลิตออกมาในปริมาณมาก (Mass-production) 

แต่คาดว่าเราจะไม่ต้อง Solid-state Battery ไปแบบไม่มีจุดหมาย คาดว่าราว ๆ 4-5 ปี เราอาจจะได้เห็นการเปิดตัวของสมาร์ทโฟนที่มาพร้อม Solid-state battery ความจุนับ 10,000 mAh  หรือถ้าโชคดีหน่อยไม่แน่ใจภายใน 1-2 ปีนี้ อาจจะมีผู้ผลิตสมาร์ทโฟนบางรายนำมาลงตลาดก็เป็นได้ โดยเจ้าที่มีข่าวมาโดยตลอดก็ไม่ใช่ใคร แต่เป็น Samsung ที่มีศูนย์วิจัยด้านนี้โดยเฉพาะ ซึ่งเอาจริง ๆ แล้วอุตสาหกรรมอื่นก็ยังรอการมาของเจ้าแบตเตอรี่ชนิดนี้กันอย่างใจจดใจจ่อไม่แพ้กัน เช่นในอุตสาหกรรมยานยนต์ รถยนต์พลังงานไฟฟ้าที่เราเห็นๆ กันในตอนนี้ก็ใช้เป็นแบตเตอรี่ Li-ion แบบเดียวกับที่ใช้บนมือถือเนี่ยแหละ ซึ่งถ้า Solid-state Battery มาก็จะช่วยพัฒนาในหลายๆ ด้าน ดังที่ Toyota ได้ปล่อยข่าวมาแล้วว่าปีนี้เราอาจจะได้เห็น EV ที่ใช้แบตเตอรี่ Solid-state กัน และที่สำคัญคือ สามารถชาร์จไฟได้เพียง 10 นาทีก็เต็มแล้ว!!

ยิ่งติดตามก็ยิ่งเริ่มรู้สึกตื่นเต้น อยากจะเห็นเจ้า Solid-state Battery เปิดตัวออกมาไวๆ ซึ่งมันน่าจะเป็นตัวเปลี่ยนหน้าประวัติศาสตร์ของโลกในด้านพลังงานอีกครั้งเลยก็เป็นได้ ปักหมุดรอรอติดตามไปพร้อมๆ กับพวกเราได้เลย

 

ที่มา

  • 1The Four Components of a Li-ion Battery | Samsung SDI
  • 2Solid-state battery — the successor to Li-ion — takes another step closer to our smartphones | Android Authority
  • 3What is a Solid-state Battery? | Samsung SDI
  • 4Dynamics of the Garnet/Li Interface for Dendrite-Free Solid-State Batteries | ACS Energy
  • 5Toyota and Murata place Japan’s bet on solid state batteries | Nikkei Asia