Future Battery : อนาคตแบตเตอรี่

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ใหม่ 5 แบบ ที่สามารถเปลี่ยนแปลงทุกสิ่ง การเพิ่มขีดความสามารถในการแข่ง ขันของการผลิตแบตเตอรี่ จึงเป็นกุญแจสำคัญของการเพิ่มความแข็งแกร่งทางเศรษฐกิจของไทยในเวทีตลาดโลก

” ความต้องการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Lithium Ion Battery โดยเฉพาะในตลาดยานยนต์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว คาดการณ์ไว้ว่า ใน 15 ปีข้างหน้า ปริมาณความต้องการทั่วโลกจะขยายตัวถึง 100 เท่า ในขณะที่ราคาจะลดลงประมาณ 3 เท่า นี่ยังไม่รวมมูลค่าการตลาดจากระบบจัดเก็บพลังงานขนาดกลาง ขนาดใหญ่ อื่น ๆ ที่ติด ตั้งตามบ้านเรือน ที่อยู่อาศัย ชุมชน ที่ทำงาน หรือโรงงานอุตสาหกรรมด้วยซ้ำ ..การเพิ่มขีดความสามารถการแข่งขันของชาติด้วยการให้การผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Lithium Ion Battery เกิดขึ้นให้ได้ในประเทศ จึงเป็นกุญแจสำคัญของการเพิ่มความแข็งแกร่งทางเศรษฐกิจของไทยในเวทีตลาดโลก .. ”

ปัจจุบันรถยนต์ไฟฟ้า และรถยนต์ Hybrid ที่ใช้แบตเตอรี่ Lithium Ion Battery ดูเหมือนกำลังได้รับความนิยม มีคำถามจากผู้บริโภคมากมาย เช่น จะเกิดอะไรขึ้น หากรถยนต์ไฟฟ้าของคุณสามารถเดินทางได้ 1,000 ไมล์ต่อการชาร์จหนึ่งครั้ง โดยใช้เวลาการชาร์จแต่ละครั้งเพียง 10 นาที และหากมันมีอายุการใช้งานได้เป็นล้านไมล์?

ทุกวันนี้รถยนต์ไฟฟ้าทุกคันใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Lithium Ion Battery.. มันค่อนข้างดี แต่ท้ายที่สุดก็ยังมีน้ำหนักมาก และใช้เวลาชาร์จนานมากเกินไปสำหรับปริมาณพลังงานที่พวกเขาสามารถจัดเก็บได้ กับมันยังมีราคาแพง

จากข้อมูลของ Elon Musk โมดูลแบตเตอรี่ เป็นปัจจัยข้อจำกัดที่มีผลต่ออายุการใช้งานของรถยนต์ไฟฟ้า .. ในปีที่ผ่านมา เขากล่าวถึงชุดขับเคลื่อนของ Tesla Model 3 สามารถขับเคลื่อนไปได้ 353 ไมล์ ด้วยการชาร์จครั้งเดียว และรับประกัน 4 ปี มากกว่า 50,000 ไมล์บนถนน ด้วยอายุการใช้งานแบตเตอรี่ 8 ปี แม้ว่าการชาร์จไฟ ฟ้าให้เต็มอาจใช้เวลาอยู่บ้าง ก็ยังคงทำให้มันได้รับการจัดอันดับถือเป็นสุดยอด .. แต่ด้วยระยะทาง 1 ล้านไมล์แล้ว ยังไม่มีแบตเตอรี่ใด ๆ ในโลกนี้สามารถใช้งานได้นานเท่านานเช่นนั้นได้ ถ้าไม่ใช้ปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เพื่อรับมือกับความต้องการสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าในช่วงหลายทศวรรษข้างหน้า จะต้องสร้างแบตเตอรี่ที่มีราคาถูกกว่า ใช้งานได้นานขึ้น ทนทานขึ้น และมีประสิทธิภาพมากขึ้น นอกจากนี้ ยังต้องแก้ไขปัญหาที่เกิดจากนโยบายของฝ่ายการเมือง และผลกระทบสิ่งแวดล้อม เพื่อตรวจสอบให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่คุณภาพมาตรฐาน ยังจะคงใช้งานต่อไปได้อย่างต่อเนื่องในอนาคต โดยไม่ขัดกันซึ่งผลประโยชน์ทางสังคม

ปัจจุบัน มากกว่า 80% ของแร่ธาตุลิเธียมทั่วโลกอยู่ในประเทศชิลี ออสเตรเลีย อาเจนติน่า และจีน เทคโนโลยีในปัจจุบันยังต้องพึ่งพาแร่โคบอลต์ด้วยเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งพบมากในสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก

Tesla โดย Elon Musk ประกาศเปิดตัวเซลล์แบตเตอรี่ 4680 ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น พร้อมความหนาแน่นของพลัง งานที่ดีขึ้น ผลิตได้ง่ายขึ้น และต้นทุนลดลง .. ตอนนี้ความสนใจของโลกให้ความสำคัญกับแบตเตอรี่มากขึ้นกว่าเดิม .. แม้จะโดดเด่น แต่ Tesla ก็ยังไม่ใช่ตัวแสดงนำหนึ่งเดียวบนโลกใบนี้ อย่างไรก็ตาม Tesla ยังคงยึดมั่นการพัฒนา Lithium Ion Batteries เป็นหลักอยู่ต่อไป

ทั้งนี้ Lithium โลหะซึ่งถือว่าเบาที่สุด มีคุณสมบัติการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนสูงสุดในตารางธาตุ โดยมีแร่ธาตุสำรองในธรรมชาติทั่วโลก ประมาณ 17 ล้านตัน (อ้างอิงข้อมูล U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, January 2020 : The Total Global Reserves are Estimated at 17 Million Tons) รวมทั้งด้วยกระบวนการ Recycle นำกลับมาใช้ใหม่ได้เกือบ 100% ขณะที่โลกของเรายังคงนิยมใช้ Lithium Ion Batteries เป็นตัวแสดงหลักในระบบจัดเก็บพลังงานไปอีกใน 10 – 20 ปีแน่นอน

ดังนั้น เชื่อได้ว่าโลกเราจะยังคงมีแร่ลิเธียม Lithium Element ใช้งานอยู่ต่อเนื่องไม่ขาดแคลนอีกอย่างน้อย 30 – 40 ปี จนกว่าจะมี Battery หรือหน่วยจัดเก็บพลังงานไฟฟ้ารูปแบบใหม่ที่ดีกว่านี้ เช่น Atomic / Nuclear Batteries หรืออื่น ๆ เป็นต้น มาใช้งานทดแทน ซึ่งก็ยังเป็นที่สงสัย

Rechargeable Batteries แบตเตอรี่ประจุใหม่ได้

แบตเตอรี่ Battery .. เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย เซลล์ไฟฟ้าเคมีหนึ่งเซลล์ หรือมากกว่า ที่มีการเชื่อมต่อภาย นอก เพื่อให้พลังงานไฟฟ้ากับอุปกรณ์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ มีขั้วบวก Anode และขั้วลบ Cathode .. แบตเตอรี่ที่สามารถใช้งานทั้งการจ่ายพลังงานไฟฟ้า และใช้จัดเก็บพลังงานไฟฟ้า หลาย ๆ รอบได้ นั้น หมายถึง แบตเตอรี่ทุติยภูมิ หรือแบตเตอรี่ประจุใหม่ได้ ซึ่งมันสามารถดิสชาร์จ และชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง มิใช่การใช้ครั้งเดียวทิ้ง ในการนี้องค์ประกอบเดิมของขั้วไฟฟ้าสามารถเรียกคืนสภาพเดิมได้โดยกระแสย้อนกลับ ตัวอย่างเช่น แบตเตอ รี่ตะกั่วกรด ที่ใช้ในยานพาหนะแบบดั้งเดิม หรือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน Lithium Ion Battery ที่ใช้กับรถยนต์ไฟฟ้าปัจจุบัน และสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเคลื่อนย้าย เช่น โทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป เป็นต้น ..

แบตเตอรี่ประจุใหม่ได้ มาในหลายรูปแบบ หลายรูปทรง และหลายขนาด ตั้งแต่จากเซลล์ขนาดเล็กที่ให้พลัง งานกับเครื่องช่วยฟัง นาฬิกาข้อมือ ไปจนถึง แบตเตอรี่แบงค์ที่มีขนาดเท่าห้องที่ให้พลังงานสำหรับชุมสายโทร ศัพท์ และศูนย์ข้อมูลคอมพิวเตอร์ หรือ Batteries Pack ขนาดเท่าอาคาร .. เชื่อว่าอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ทั่วโลก สร้างมูลค่ามากกว่า 48 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ในยอดขายแต่ละปี ด้วยอัตราการเจริญเติบโตอย่างน้อยปีละ 6% และกำลังเติบโตขึ้นอีกด้วยความเร่ง

โดยทั่วไป แบตเตอรี่ มีค่าพลังงานจำเพาะ (พลังงานต่อหน่วยมวล) ต่ำมาก เมื่อเทียบกับ เชื้อเพลิงทั้งหลาย เช่น น้ำมัน แต่ก็สามารถชดเชยได้บ้าง ด้วยประสิทธิภาพค่อนข้างสูงของมอเตอร์ไฟฟ้าในการผลิตพลังงานกลเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน .. อย่างไรก็ตาม มอเตอร์ไฟฟ้ายังไม่อาจทดแทนเครื่องยนต์เผาไหม้ภายในทั้งหมดได้ เครื่องยนต์เผาไหม้ภายในที่ใช้เชื้อเพลิงรูปแบบใหม่ที่สะอาดกว่า ยังมีความจำเป็นสำหรับงานหนักในอนาคตต่อไปอีกนาน

สำหรับเทคโนโลยีแบตเตอรี่รูปแบบใหม่ ที่มีแนวโน้มสามารถขับเคลื่อนอนาคตได้ ซึ่งมีการวิจัย และพัฒนาอย่างต่อเนื่อง 5 รูปแบบที่น่าสนใจ พอจะรวบรวมสรุปได้ดังนี้  ..

1.  แบตเตอรี่ลิเธียม – แอร์ Lithium Air Batteries ..

แบตเตอรี่ลิเธียม – แอร์ (Li – air) คือ เซลล์ไฟฟ้าเคมีโลหะอากาศ หรือแบตเตอรี่ที่ใช้ปฏิกิริยาเคมีจาก ออกซิเด ชัน Oxidation  ของลิเธียมที่ขั้วบวก Anode และการลดลง Reduction ของออกซิเจนที่แคโทด Cathode เพื่อทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า

การจับคู่ ลิเธียม กับออกซิเจน โดยในทางทฤษฎีสามารถนำไปสู่เซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีพลังงานจำเพาะสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ด้วยข้อเท็จจริง พลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของแบตเตอรี่ Li – air ที่ไม่ใช่น้ำในสถานะที่ชาร์จด้วยผลิตภัณฑ์ Li₂O₂ และไม่รวมมวลออกซิเจนอยู่ที่ ~ 40.1 MJ / kg เทียบได้กับพลังงานจำเพาะทางทฤษฎีของน้ำมันเบนซิน ~ 46.8 MJ / kg ในทางปฏิบัติ แสดงให้เห็นแบตเตอรี่ Li – air ที่มีพลังงานจำเพาะ ~ 6.12 MJ / kg ที่ระดับเซลล์นั้น มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ประมาณ 5 เท่า และเพียงพอที่จะให้รถยนต์ไฟฟ้าน้ำหนัก 2,000 กิโลกรัม EV วิ่งไปได้ประมาณ ~ 500 กม. (310 ไมล์) ต่อการชาร์จหนึ่งครั้งโดยใช้แบต เตอรี่น้ำหนัก 60 กิโลกรัม

แบตเตอรี่อากาศโลหะมีมาระยะหนึ่งแล้ว .. เซลล์พลังงาน ปุ่มอากาศสังกะสีเล็ก ๆ ในเครื่องช่วยฟัง มีใช้งานอยู่ทั่วไป รวมทั้ง แบตเตอรี่อากาศลิเธียม หรือ ลิเธียม – แอร์ มีแนวโน้มสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ และอวกาศในอนาคต .. ด้วยศักยภาพของมัน ด้วยน้ำหนักที่เบา แต่ความสามารถในการกักเก็บพลังงานสูง ทำให้เทคโน โลยีแบตเตอรี่นี้มีแนวโน้มว่า .. แบตเตอรี่ลิเธียม – แอร์ อาจมีพลังงานจำเพาะทางทฤษฎีสูงสุด 3,460 วัตต์ / กิโลกรัม มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบปกติทั่วไปถึงเกือบ 10 เท่า .. นักวิจัยขององค์การนาซ่า ได้ทำการตรวจสอบ แบตเตอรี่ลิเธียม – แอร์ สำหรับใช้ในเครื่องบิน .. เทคโนโลยีนี้ยังต้องพัฒนาอีกยาวไกลก่อนที่มนุษย ชาติ จะเดินทางเพื่อทำธุรกิจครั้งต่อไปด้วยเครื่องบินไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม ศักยภาพ และอนาคตของมัน น่าสนใจอย่างยิ่ง ทั้งนี้ พลังงาน และวงจรชีวิตที่ใช้งานได้จริงของแบตเตอรี่ Li – air จำเป็นต้องมีการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ก่อนที่จะสามารถหาช่องทางการตลาดได้

2. แบตเตอรี่นาโนเทค Nanotech Batteries ..

นาโนเทคโนโลยี เป็นคำที่แพร่หลายมาหลายสิบปีแล้ว แต่ตอนนี้กำลังพบการใช้งานในทุกอย่างตั้งแต่นาโนอิ เล็กทรอนิกส์ไปจนถึงวิศวกรรมชีวการแพทย์ เสื้อเกราะ ตัวถังรถ ไปจนถึงเตารีด ผ้าลื่นพิเศษ และอีกมากมาย.. วัสดุนาโนใช้ประโยชน์จากอนุภาค และโครงสร้างขนาด 1 – 100 นาโนเมตร โดยพื้นฐานแล้ว ขนาดพื้นที่จะเพิ่มขึ้นจากระดับโมเลกุล .. โครงสร้างนาโนของคาร์บอนยังแสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยม

กราฟีน Graphene เป็นหนึ่งในนวตกรรมที่น่าตื่นเต้นที่สุดของสิ่งเหล่านี้ .. บริษัท Amprius, Inc. ประสบความ สำเร็จในการก้าวไปอีกขั้นด้วย Anodes ของ ‘ซิลิคอนนาโนไวร์ 100% Silicon Nanowire Battery Techno logy’ .. ผู้ผลิตอ้างว่า พวกเขาสามารถบรรลุ 500 Wh / kg ซึ่งอยู่ในช่วงที่เหมาะสมสำหรับการเปิดใช้งานเครื่อง บินไฟฟ้าร่วมกับ Airbus .. การวิจัยวัสดุนาโนมีแนวโน้มก้าวหน้าอย่างต่อเนื่อง

ทั้งนี้ เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมใช้วัสดุ เช่น โคบอลต์ – ออกไซด์ หรือแมงกานีส – ออกไซด์ โดยมีอนุภาคที่มีขนาดระหว่าง 5 ถึง 20 ไมโครเมตร (5,000 และ 20,000 นาโนเมตร – มากกว่า 100 เท่าของนาโนเมตร) ซึ่งเป็นที่คาดหวังว่าวิศวกรรมนาโน จะสามารถปรับปรุงข้อบกพร่องหลายประการของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบันได้ เช่น การขยายปริมาณพื้นที่แลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้า และความหนาแน่นของพลังงาน

3. แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ Lithium Sulphur Batteries ..

แบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์ เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถให้ความหนาแน่นของพลังงานที่ดีขึ้นอย่างมาก เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม – ไอออน ทั่วไป .. พลังงานจำเพาะสูงสุดตามทฤษฎีของเคมีนี้ คือ 2,567 Wh / kg เมื่อเทียบกับลิเธียมไอออนแบตเตอรี่ทั่วไปที่ค่าพลังงานจำเพาะสูงสุด 350 Wh / kg

Lithium Sulphur Batteries อาจประสบความสำเร็จกับเซลล์ลิเธียมไอออน เนื่องจากความหนาแน่นของพลัง งานที่สูงขึ้น และต้นทุนที่ลดลง เนื่องจากการใช้กำมะถัน แบตเตอรี่ Li – S บางรุ่นให้พลังงานจำเพาะตามลำดับตั้งแต่ 500 Wh / kg ขึ้นไป ซึ่งดีกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่อย่างมาก คือ ค่าเฉลี่ยอยู่ในช่วง 150 – 250 Wh / kg ขณะที่แบตเตอรี่ Li – S ที่มีการชาร์จ และรอบการคายประจุสูงถึง 1,500 รอบ แต่ยังคงต้องมีการทดสอบอายุการใช้งานตามวงจรในระดับการค้าเพื่อเข้าสู่การผลิตใช้งาน กับการประกอบธุรกิจต่อไป ปัญหาสำ คัญของแบตเตอรี่ Li – S คือผลกระทบของ Polysulfide ต่อการรั่วไหลของ Active Material จากขั้วลบ ซึ่งส่งผลให้วงจรชีวิตของแบตเตอรี่ลดลง

ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ต่ำมากของแคโทดกำมะถันนั้น จำเป็นต้องมีมวลพิเศษสำหรับตัวทำละลาย เพื่อที่จะใช้ประโยชน์จากการมีส่วนร่วมทั้งหมดของมวลที่ใช้งานอยู่ให้ได้ การขยายตัวของแคโทดกำ มะถันในปริมาณมากจาก S ไปยัง Li2S และอิเล็กโทรไลต์จำนวนมากที่จำเป็น ก็ยังเป็นปัญหาเช่นกัน ..

4. แบตเตอรี่โซลิดสเตต Solid – State Battery หรือ อิเล็กโทรไลต์ โซลิดสเตต Solid State Electrolytes

แบตเตอรี่โซลิดสเตต Solid – State Battery .. เป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้อิเล็กโทรดที่เป็นของแข็ง และอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็ง ทดแทนอิเล็กโทรไลต์เจลเหลว หรือโพลีเมอร์ที่พบในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน หรือลิเธียมโพลิเมอร์ วัสดุที่เสนอให้ใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์แข็งในแบตเตอรี่โซลิดสเตต ได้แก่ เซรามิก (เช่น สารประกอบไอออนิก ประเภท ออกไซด์ ซัลไฟด์ ฟอสเฟต) และโพลีเมอร์ที่เป็นของแข็ง พบว่ามีการใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตตในเครื่องกระตุ้นหัวใจ RFID และอุปกรณ์คล้าย ๆ กันทางการแพทย์ อาจปลอดภัยกว่า ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้น แต่ก็มีต้นทุนที่สูงกว่ามากด้วยเช่นกัน

ความท้าทายในการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย ได้แก่ พลังงาน และความหนาแน่นของพลังงาน ความทนทานต้น ทุนวัสดุ ความไว และความเสถียร รวมทั้งความปลอดภัย

โดยทั่วไปในเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่จนถึงขณะนี้ ความต้องการของนักวิจัยในการพัฒนาอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง .. สิ่งเหล่านี้จะแทนที่ของเหลวอินทรีย์ที่ติดไฟได้ ด้วยของแข็งที่มีความเสถียร ผลึก หรือแก้ว หรือพอลิเมอร์ เป็นเบส .. หวังว่า การใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งเหล่านี้ จะช่วยให้สามารถใช้อิเล็กโทรด ลิเธียมโลหะเพื่อให้แรงดันเอาต์พุตที่สูงขึ้น และช่วยให้ความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น .. พานาโซนิค ยังมองหาอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง .. เป็นที่น่าสังเกตว่า Tesla ได้ร่วมมือกับพานาโซนิคในปัจจุบัน กำลังการผลิตลิเธียม – ไอ ออน แต่เป็นโตโยต้าที่ประกาศความร่วมมือกับพานาโซนิคในการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตตรุ่นต่อไป .. ซัมซุงก็กำลังทำงานกับแบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Batteries ด้วย

อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตต (SSE) .. เป็นอิเล็กโทรไลต์ตัวนำไอออนิกที่เป็นของแข็ง และเป็นส่วนประกอบลักษณะ เฉพาะของแบตเตอรี่โซลิดสเตต มีประโยชน์สำหรับการใช้งานในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้า (EES) ในการทด แทนอิเล็กโทรไลต์เหลวที่พบโดยเฉพาะในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ข้อดีหลัก ๆ คือความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้น ไม่มีปัญหาการรั่วไหลของของเหลวอินทรีย์ที่เป็นพิษ ความไวไฟต่ำ ความไม่ผันผวน เสถียรภาพทางกล และความร้อน ความสามารถในการแปรรูปที่ง่าย การปลดปล่อยตัวเองต่ำ ความหนาแน่นของพลังงานที่ทำได้สูงขึ้น และความสามารถในการหมุนเวียน

สิ่งนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ เช่น การใช้แอโนดโลหะลิเธียมในอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง โดยไม่มีข้อจำกัดภาย ในของอิเล็กโทรไลต์เหลว การใช้ขั้วบวกความจุประจุสูง และศักยภาพในการลดประจุต่ำ เช่น ลิเธียมที่มีความจุเฉพาะ 3860 mAh g ^{− 1}  และความสามารถในการลดประจุ – 3.04 V เทียบกับ SHE ในการทดแทนกราไฟท์ความจุต่ำแบบเดิม ซึ่งแสดงความจุตามทฤษฎีของ 372 mAh g ^{− 1}  ในสถานะ LiC6 เต็มรูปแบบเป็นขั้นตอนแรก ในการใช้แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟที่เบากว่าบาง และราคาถูกกว่า ยิ่งไปกว่านั้นยังช่วยให้สามารถเข้าถึงความหนาแน่นของพลังงานกราวิเมตริก และปริมาตรได้ไมล์สูงพอที่จะบรรลุ 500 ไมล์ต่อการชาร์จหนึ่งครั้งในรถยนต์ไฟฟ้า แม้จะมีข้อได้เปรียบที่มีแนวโน้ม แต่ก็ยังมีข้อจำกัดบางประการที่ขัดขวางการเปลี่ยนแปลงของ SSE จากการวิจัยทางวิชาการไปสู่การผลิตขนาดใหญ่

อย่างไรก็ตาม OEM รถยนต์จำนวนมาก (Toyota, BMW, Honda, Hyundai) คาดว่า จะรวมระบบเหล่านี้เข้ากับอุปกรณ์ที่ใช้งานได้ และเพื่อการค้าที่มั่นคง – รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ประเภทนี้ น่าจะเริ่มจำหน่ายได้ใช้งานได้ภายในปี 2568

5. แบตเตอรี่คาร์บอนคู่ Dual Carbon Batteries ..

แบตเตอรี่คาร์บอนคู่ คือแบตเตอรี่ที่ใช้คาร์บอนสำหรับทั้งขั้วลบ และขั้วบวก .. แบตเตอรี่รูปแบบนี้ มีความหนา แน่นของพลังงานเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แต่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น พร้อมความปลอดภัยที่ดีขึ้น และใช้สารเคมีที่เป็นเอกลักษณ์โดยมีทั้งขั้วบวก และขั้วลบที่ทำจากคาร์บอน ..

อิเล็กโทรดคาร์บอนสองขั้ว และอิเล็กโทรไลต์ ปลอดสารพิษที่มีความสามารถในการดึงพลังงานมากกว่าลิเธียมไอออนทั่วไป และความสามารถในการชาร์จเร็วขึ้น 20 เท่า และลิเธียมไอออนในรูปแบบ Dual Carbon นี้ อาจเป็นอนาคตสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า ..

ในมุมมองการตลาด .. ตลาด แบตเตอรี่คาร์บอนคู่ คาดว่า อัตราการเติบโตของพอร์ตเฉลี่ยต่อปีแบบทบต้น Compound Annual Growth Rate : CAGR 10% ในปี 2021 – 2025 ..แบตเตอรี่คาร์บอนคู่ (Dual – Graphite) เป็นแบตเตอรี่ที่มีทั้งขั้วบวก และแคโทด ซึ่งประกอบด้วยคาร์บอน ความสามารถในการชาร์จอย่างรวดเร็ว ต้นทุนการผลิตที่ถูกเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่อื่น ๆ และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ด้วยคุณสมบัติที่สามารถรีไซเคิลได้ 100% เป็นปัจจัยที่คาดว่าจะขับเคลื่อนตลาดแบตเตอรี่คาร์บอนคู่ในช่วงเวลาที่คาดการณ์ไว้ ในทางกลับกันการเพิ่มขึ้นของราคาคาร์บอนกราไฟท์ และการแข่งขันจากเทคโนโลยีแบตเตอรี่อื่น ๆ เป็นปัจจัยที่ขัดขวางการเติบโตของตลาด ซึ่งจะต้องจับตาดูต่อไป ทั้งนี้ แบตเตอรี่คาร์บอนคู่ ถือว่าอยู่ระหว่างการวิจัยพัฒนา และมีแนวโน้มสดใสในอนาคต ..

เปรียบเทียบรูปแบบแบตเตอรี่ในอนาคตแล้ว แม้พลังงานจำเพาะจะสูงขึ้นมาก แต่การโหลดยังไม่เร็วขึ้นไปกว่าปัจจุบันนัก อายุการใช้งานก็เช่นกัน ยกเว้นที่กำลังอยู่ในขั้นทดลอง ..

นักวิจัยทั่วโลกปัจจุบัน ยังคงมุ่งมั่นพัฒนารูปแบบแบตเตอรี่ในอนาคต สำหรับต้นแบบอุปกรณ์กักเก็บพลังงาน เพื่อให้มีต้นทุนการเก็บไฟฟ้าต่อหน่วยพลังงานให้ถูกลง โดยลดลงจากประมาณ 300 USD/kWh ไปถึง 100 USD/kWh โดยเลือกใช้สังกะสี และแมงกานีสออกไซด์ ที่มีปริมาณการผลิตต่อปีสูงกว่าลิเธียมถึง 500 เท่า และมีต้นทุนต่ำกว่าลิเธียมถึง 7 เท่า

ทั้งนี้ การเพิ่มความสามารถในการผลิตไฟฟ้าจากการใช้พลังงานหมุนเวียน โดยในปี 2579 นโยบายพลังงาน 4.0 ของประเทศไทย วางแผนจะให้มีการใช้พลังงานหมุนเวียนในการผลิตพลังงานไฟฟ้าอย่างน้อยร้อยละ 20 ของการผลิตไฟฟ้าทั้งประเทศ (เพิ่มขึ้นอีกประมาณ 5,000 เมกะวัตต์จากปัจจุบัน หรือมากกว่า) ดังนั้น การใช้แบตเตอรี่เข้ามาเสริมในระบบกริดไฟฟ้า หรือการวางระบบเครือข่าย VPP จะช่วยทำให้ระบบการจ่ายไฟฟ้าของพลังงานหมุมเวียน ที่คาดว่าประเทศไทย จะมีมูลค่ากว่า 55,000 ล้านบาทต่อปี มีความเสถียรมากขึ้น และมีระบบการจัดการที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม ตัวอย่างอนาคตแบตเตอรี่ที่มีแนวโน้มที่จะนำมาใช้งานในทศวรรษหน้า ซึ่งส่วนใหญ่อยู่ระหว่างการวิจัย และพัฒนา พอจะสรุปเปรียบเทียบสมรรถนะใช้งานได้เป็นสังเขป เช่น

Li – ion โซลิดสเตต : พลังงานจำเพาะสูงมาก แต่การโหลดช้า ความปลอดภัยยังไม่ค่อยดีนักแม้จะปลอดภัยกว่าการใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวก็ตาม กับต้นทุนวัสดุสูง

ลิเธียม – กำมะถัน : พลังงานจำเพาะสูง แต่อายุการใช้งานไม่ค่อยดี แต่รอบการคายประจุสูง  แม้จะโหลดช้า แต่มีต้นทุนต่ำ

ลิเธียม – แอร์ : พลังงานจำเพาะสูงมาก แต่โหลดไม่ดี ช้า ต้องการอากาศบริสุทธิ์เพื่อหายใจ และมีอายุการใช้งานสั้น

Dual Carbon Batteries : ความสามารถในการชาร์จทำได้อย่างรวดเร็ว ต้นทุนการผลิตต่ำเมื่อเทียบกับแบต เตอรี่อื่น ๆ และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ด้วยคุณสมบัติที่สามารถรีไซเคิลได้ 100%

ทั้งนี้ หากอายุการใช้งานเป็นเกณฑ์พิจารณาหลัก Li – Cobalt ซึ่งเป็น Li – ion ดั้งเดิม ยังคงโดดเด่นเหนือชั้น

จากรูปแสดง การเปรียบเทียบพลังงานจำเพาะของระบบที่ใช้ ตะกั่ว นิกเกิล และลิเธียม ในขณะที่ Li – Aluminium (NCA) เป็นผู้ชนะที่ชัดเจน โดยการจัดเก็บความจุมากกว่าระบบอื่น แต่จะใช้กับพลังงานเฉพาะเท่านั้น และหากมองเสถียรภาพทางความร้อน Li – Manganese (LMO) และ Li – Phosphate (LFP) นั้นเหนือกว่า.. Li – Titanate (LTO) อาจมีความจุต่ำ แต่ด้วยคุณสมบัติทางเคมี มันทนทาน และใช้งานอยู่ได้นานกว่าแบตเตอรี่อื่น ๆ ในแง่ของอายุการใช้งาน และยังมีประสิทธิภาพสูงในอุณหภูมิที่เย็นที่จัด อย่างไรก็ตาม LCO ย่อมาจาก Li – Cobalt ซึ่งเป็น Li – ion ดั้งเดิม ได้พัฒนาก้าวหน้าไปไปอีกขั้นหนึ่งสู่ระบบจัดเก็บ และส่งกำลังไฟฟ้า ที่มีจุดเด่นเหนือชั้นในปัจจุบันทั้งในด้านความปลอดภัย และอายุการใช้งาน ..

สรุปส่งท้าย .

ความต้องการแบตเตอรี่สมัยใหม่ เช่น แบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออน โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าอย่างเดียว คาดการณ์ไว้ว่า ในช่วง 15 ปีข้างหน้า ปริมาณความต้องการแบตเตอรี่ทั่วโลกจะขยายตัวถึง 100 เท่า ในขณะที่ราคาจะลดลงประมาณ 3 เท่า นี่ยังไม่รวมมูลค่าการตลาดจากระบบจัดเก็บพลังงานขนาดกลาง ขนาดใหญ่ อื่น ๆ ที่ติดตั้งตามบ้านเรือน ที่อยู่อาศัย ชุมชน ที่ทำงาน หรือโรงงานอุตสาหกรรมด้วยซ้ำ

การเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันของการผลิตแบตเตอรี่ จึงเป็นกุญแจสำคัญของการเพิ่มความแข็งแกร่งทางเศรษฐกิจของไทยในเวทีตลาดโลก

แบตเตอรี่ที่ดีกว่า ต้นทุนต่ำกว่า จะมีความสำคัญต่อความก้าวหน้าของระบบการจัดเก็บพลังงานที่ติดตั้งอยู่กับแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ .. ซึ่ง Tesla เองยังคงเดินหน้าเข้าสู่ภาคพลังงานนี้ ด้วยผลิตภัณฑ์ เช่น แบตเตอรี่สำหรับบ้าน Powerwall และผลิตภัณฑ์จัดเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์ของ Powerpack จาก Lithium Ion Batteries ต่อไป

เทคโนโลยีที่กล่าวถึงทั้ง 5 รูปแบบที่ผู้เขียนตัวอย่างมานี้ อาจมีผลกระทบอย่างมากต่อตัวเลือกการขนส่งที่ใช้พลังงานแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันนอกเหนือจากรถยนต์ไฟฟ้า .. ลองจินตนาการถึงศักยภาพในทุกสิ่งตั้งแต่จักร ยานไฟฟ้า สกูตเตอร์ไฟฟ้า และเรือไฟฟ้า ไปจนถึงเครื่องบินไฟฟ้า .. เครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคยังได้รับประ สบการณ์การปรับปรุงมากมายในเรื่องอายุการใช้งานแบตเตอรี่ในอุปกรณ์ต่าง ๆ เช่น แล็ปท็อป โทรศัพท์ มือถือ กล้องถ่ายรูป และอื่น ๆ .. อนาคต คือ ไฟฟ้า แบตเตอรี่คุณภาพ กลายเป็นความจำเป็นที่ขาดไม่ได้ในการดำเนินชีวิต

ทั้งนี้ ผู้เขียนยังคงยืนยันว่า สังคมโลกจะยังคงใช้ Lithium Ion Batteries เป็นหลักไปอีกนาน อย่างน้อย 20 ปี รวมทั้ง โลกเรายังคงมีแร่ลิเธียม Lithium Element ใช้งานได้ไม่ขาดแคลนอีกอย่างน้อย 40 ปี .. ประเด็นที่ท้าทายที่สุด และถือเป็นปัจจัยความสำเร็จสุดยอด ที่จะก้าวข้ามอุปสรรคในเรื่องการพัฒนาพลังงานที่ยั่งยืนของไทย ได้แก่ ‘การผลิต Lithium Ion Batteries จะต้องเกิดขึ้นในประเทศไทย’ และมันเป็นเรื่องสำคัญยิ่ง ..

หากประเทศไทย ต้องการเป็นหนึ่งในผู้เล่นในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ของโลก จำเป็นต้องมีการพัฒนาศักยภาพการวิจัย และพัฒนาเทคโนโลยีเกี่ยวกับอุปกรณ์จัดเก็บพลังงานอย่างเป็นรูปธรรม ถือเป็นการสร้างระบบนิเวศการผลิตเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่เป็นของตนเอง นำไปสู่ทั้งลดการนำเข้า เพิ่มการผลิตใช้เอง และส่งเป็นสินค้าเพื่อขายไปทั่วโลก กับการมีส่วนร่วมในการกำหนดราคา และใช้ผลิตภัณฑ์ระบบจัดเก็บพลังงานที่มีคุณภาพ ต้นทุนต่ำกว่า ซึ่งจะกลายเป็นข้อได้เปรียบในศักยภาพการแข่งขันทางเศรษฐกิจของประเทศในอนาคตต่อไป ..

ดังนั้น โครงการที่ได้รับความสนใจมากที่สุดปัจจุบัน จึงหนีไม่พ้น อุตสาหกรรมใหม่ New S – Curve ของ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน) หรือ EA ซึ่งเป็นการต่อยอดจากธุรกิจโรงไฟฟ้า ไปเป็นกลุ่มธุรกิจพลังงานไฟ ฟ้ารูปแบบใหม่ ไม่ว่าจะเป็น การพัฒนาแหล่งพลังงานทางเลือก พลังงานหมุนเวียน โรงงานเซลล์แสงอาทิตย์ที่ติดตั้งบนทุ่นลอยน้ำ ยานยนต์ไฟฟ้า ทั้งรถยนต์นั่งส่วนบุคคล – รถโดยสาร เรือโดยสารพลังงานไฟฟ้า รวมถึงสถานีอัดประจุไฟฟ้า

และที่สำคัญที่สุดคือ การผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน Lithium Ion Battery รวมถึงโครงการก่อสร้างสถานีจ่ายไฟฟ้าแบบแบตเตอรี่ และโรงงานระบบจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าแบตเตอรี่รูปแบบ ” Gigafactory “ ซึ่ง EA ถือเป็นผู้ประกอบการเจ้าแรกของไทยที่เปิดมิติใหม่แห่งวงการพลังงานเพื่ออนาคตของประเทศ .. นวัตกรรมของระบบจัดเก็บพลังงาน หรือ ESS นั้น เป็นประโยชน์ต่อภาคพลังงานของไทย และสามารถต่อยอดทางธุรกิจออก ไปได้อีกมากมาย ส่งผลให้เกิดความเป็นไปได้ในการดำเนินธุรกิจพลังงานในประเทศไทยที่มีแนวโน้มสดใสอย่างยิ่ง ..

อย่างไรก็ตาม แม้ว่าแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้า และระบบจัดเก็บพลังงาน รวมทั้งแบตเตอรี่ จะสำคัญยิ่งสำหรับความมั่นคงด้านพลังงาน และมีความหมายต่ออนาคตของชาติอย่างมาก แต่หากกล่าวถึงเรื่องของการใช้พลัง งานในภาพรวมแล้ว พลังงานไฟฟ้าอาจยังมิใช่คำตอบของคำถามทั้งหมด พลังงานรูปแบบอื่น ๆ เครื่องยนต์เผาไหม้ภายใน ยังคงมีความจำเป็นในอนาคตต่อไป โดยเฉพาะในระบบขนส่งขนาดใหญ่

การเคลื่อนย้ายสินค้าปริมาณมากไปไกล ๆ การเดินทางทางอากาศ อวกาศ ด้วยอากาศยานที่ยาวไกล ยาวนาน ซึ่งเชื้อเพลิงสันดาปที่ใช้อาจเปลี่ยนไป ทางเลือกในการใช้แหล่งพลังงานอื่น ๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิง Fuel Cell และ ไฮโดรเจนสีเขียว Green Hydrogen ก็กำลังเพิ่มขึ้นด้วย ซึ่งภาครัฐ และเอกชนไทยที่เกี่ยวข้องกับธุรกิจพลัง งานหรือความมั่นคงทางพลังงานของประเทศ ไม่อาจละเลยที่จะคำนึงถึงสิ่งเหล่านี้ได้เลย และนี่ยังมิได้กล่าวถึงพลังงานจากปฏิ กรณ์นิวเคลียร์ที่ปลอดภัยกว่าในอนาคตด้วยซ้ำ ..

คอลัมน์…..Energy Key

โดย…..โลกสีฟ้า

สนับสนุนคอลัมน์โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Future Batteries, Coming Soon: Charge in Seconds, Last Months & Power over the Air

Battery Technologies That Could Power The Future

The Future of Battery Technology :-

The Future of Battery Technology

5 นวัตกรรมแบตเตอรี่ที่ใหญ่ที่สุดประจำปี 2019

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ใหม่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ 6 ประการที่จะช่วยกอบกู้โลก : –

แบตเตอรี่ลิเธียม – ไอออนทำงานอย่างไร | HowStuffWorks

ข้อดีและข้อ จำกัด ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน – มหาวิทยาลัยแบตเตอรี่

ประเภทของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน – แบตเตอรี่มหาวิทยาลัย

What Is Lithium?

Lithium Data Sheet – Mineral Commodity Summaries 2020

Lithium Statistics and Information

Top ten biggest lithium mines in the world