แบตเตอรี่ลิเธี่ยมโซลิดสเตท ทนทาน และใช้งานได้ยาวนาน

Solid State Lithium Battery

A Long – Lasting & Stable Battery

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิจัยได้พยายามควบคุมศักยภาพของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมโลหะแบบโซลิดสเตท Lithium – Metal Solid State Battery ซึ่งเก็บพลังงานได้มากกว่า ในมวล และปริมาตรเท่าเดิม ..

การพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery ประจุได้สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น มันทำงานได้ยอดเยี่ยมมากในห้องปฏิบัติการ รวมทั้งเป็นแหล่งพลังงานให้แก่อุปกรณ์ไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมากมาย และได้รับการคาดหมายว่า มันกำลังจะถูกนำไปใช้งานจริงบนยานยนต์ไฟฟ้าเพื่อเข้าสู่ตลาด Electric Vehicle: EV ที่กำลังขยายตัวด้วยความเร่งในอนาคตอันใกล้นี้ ..

แบตเตอรี่ที่ชาร์จประจุได้อย่างรวดเร็ว และมีอายุการใช้งานยาวนาน เป็นความต้องการมาช้านาน มันมีความสำคัญต่อการขยายตัวของตลาดรถยนต์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกมากมายหลายรายการ แต่แบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนทั่วไปในปัจจุบัน ก็ยังขาดสิ่งที่จำเป็นเหล่านี้ .. มันยังมีน้ำหนักมากเกินไป แพงเกินไป กับการใช้เวลาชาร์จ และคายประจุนานเกินไป ..

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักวิจัยได้พยายามควบคุมศักยภาพของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมโลหะแบบโซลิดสเตท Lithium – Metal Solid State Battery ซึ่งเก็บพลังงานได้มากกว่า ในมวล และปริมาตรเท่าเดิม .. สามารถชาร์จกำลังไฟไฟได้ในเวลาเพียงเสี้ยววินาทีเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนรูปแบบมาตรฐานดั้งเดิม ..

“แบตเตอรี่ลิเธี่ยมเมทัล Lithium – Metal Battery ถือเป็นจอกศักดิ์สิทธิ์สำหรับปฏิกิริยาทางเคมีของแบตเตอรี่ เนื่องจากมีความจุ และความหนาแน่นของพลังงานสูง” ซินลี่ Xin Li รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์จาก Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science : SEAS กล่าว “แต่ความเสถียรของแบตเตอรี่เหล่านี้ มันไม่เคยมีมาแต่เดิมโดยตลอด” ..

ปัจจุบัน Xin Li และทีมงานของเขา ประสบความสำเร็จในการออกแบบแบตเตอรี่ลิเธี่ยมเมทัลโซลิดสเตท Lithium – Metal Solid State Battery ที่มีความเสถียร ซึ่งสามารถชาร์จกำลังไฟฟ้า และคายประจุได้อย่างน้อย 10,000 ครั้ง ซึ่งเป็นรอบที่มากกว่าที่เคยทำได้ใน Lithium Battery ทั่วไป รวมทั้ง การคาดหมายความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าต่อมวลที่สูงขึ้นอย่างมาก หมายความว่า ด้วยกำลังไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาเท่ากัน น้ำหนักของตัวแบตเตอรี่จะเบากว่ามาก โดยนักวิจัย พยายามเลือกจับคู่การออกแบบใหม่ กับวัสดุแคโทดความหนาแน่นพลังงานสูงกว่า และคาดว่ามันมีแนวโน้มทำตลาดในเชิงพาณิชย์ได้ด้วยต้นทุนที่ถูกลงได้ในอีกไม่นาน ..

เทคโนโลยีแบตเตอรี่นี้ สามารถเพิ่มอายุการใช้งานของรถยนต์ไฟฟ้าให้ใกล้เคียงรถยนต์เบนซิน ที่ประมาณ 10 ถึง 15 ปี โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ไฟฟ้า ด้วยความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า หรือพลังงานจำเพาะที่สูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมรูปแบบดั้งเดิมทั่วไป .. มันสามารถปูทางสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่ชาร์จประจุไฟฟ้าจนเต็มได้ ภายในเพียง 10 ถึง 20 นาที เท่านั้น ..

Solid State Lithium Battery ได้ปลดล็อคปัญหาข้อจำกัดของแบตเตอรี่ทั่วไป และสาธิตวิธีแก้ปัญหาเรื้อยรังที่มีมานานกว่า 40 ปี ให้คลี่คลายได้ในที่สุด ..

“การวิจัยของเราแสดงให้เห็นว่า แบตเตอรี่โซลิดสเตต Solid State Batteries อาจแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนอิเล็กโทรไลต์ Lithium Ion Electrolyte Batteries เชิงพาณิชย์โดยทั่วไป” นายหลี่ Xin Li กล่าว “ด้วยการศึกษาอุณหพลศาสตร์พื้นฐาน เราสามารถปลดล็อกอุปสรรคต่าง ๆ ทำให้มันเหนือกว่า และเราสามารถใช้ประโยชน์จากโอกาสมากมายของพวกมันได้”

ความท้าทายครั้งใหญ่ของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมเมทัล เป็นเรื่องทางเคมีมาโดยตลอด .. ปัญหาใหญ่ของแบตเตอรี่ลิเธี่ยม ได้แก่ การเคลื่อนที่ของไอออนลิเธี่ยมจากแคโทดไปยังขั้วบวกในระหว่างการชาร์จ โครงสร้างโลหะลิเธี่ยมจะก่อตัวคล้ายเข็มที่ขั้วบวกซึ่งเรียกว่าเดนไดรต์ Dendrites และขณะก่อตัวขึ้น มันจะเติบโตแทงขึ้นบนพื้นผิว โครงสร้างเหล่านี้เติบโตเหมือนรากเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ และเจาะทะลุสิ่งกีดขวางที่แยกขั้วบวก และขั้วลบ ทำให้แบตเตอรี่มีอายุสั้น เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว หรือติดไฟได้ ..

เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ Xin Li และทีมของเขาได้ออกแบบแบตเตอรี่หลายชั้นที่ประกบยึดวัสดุที่มีความเสถียรที่แตกต่างกันระหว่างขั้วบวก และขั้วลบ .. แบตเตอรี่วัสดุหลายชั้นนี้ ป้องกันการซึมผ่านของลิเธี่ยมเดนไดรต์ไม่ได้ทั้งหมด แต่ก็สามารถหยุดมันไว้ในตำแหน่งแนวกั้นอิเล็กโทรไลต์ชั้นที่สอง และสามารถควบคุมการซึมผ่านแทงทะลุของลิเธี่ยมเดนไดรต์ ไว้ได้สำเร็จ ..

อิเล็กโทรไลต์แรก Electrolyte 1 ชื่อทางเคมี Li_5.5 PS_4.5 Cl_1.5 หรือ LPSCI มีความเสถียรมากกว่าเมื่อใช้ลิเธี่ยม แต่มีแนวโน้มที่เดนไดรต์จะซึมผ่านได้ .. อิเล็กโทรไลต์ที่สอง Electrolyte 2 คือ Li₁₀ Ge₁ P₂ S₁₂ หรือ LGPS มีความเสถียรน้อยกว่าเมื่อใช้ลิเธี่ยม แต่ดูเหมือนจะสามารถต้านทานเดนไดรต์ Dendrites ได้ .. ในการออกแบบนี้ เดนไดรต์ จะเติบโตผ่านกราไฟต์ และอิเล็กโทรไลต์แรก แต่จะหยุดเมื่อถึงแนวกั้น Electrolyte ที่ 2 และไม่สามารถทะลุออกไปได้ มันป้องกันมิให้แบตเตอรี่เกิดการลัดวงจร และจะไม่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วเหมือนแบตเตอรี่ลิเธี่ยมทั่วไปได้ ..

“ความแตกต่าง คือ จุดยึดของทีมวิจัยแน่นเกินกว่าที่เดนไดรต์ Dendrites จะเจาะผ่านได้ ดังนั้นการเติบโตของเดนไดรต์ จึงหยุดลง” หลี่ Xin Li กล่าวเสริม ..

ตัวแบตเตอรี่โซลิดสเตต Solid State Batteries ยังสามารถรักษาตัวเองได้ ปฏิกิริยาทางเคมีของมัน ช่วยให้สามารถทดแทนหลุมที่เดนไดรต์สร้างขึ้นได้อีกด้วย ..

“การออกแบบที่พิสูจน์แนวคิดนี้ แสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมเมทัลโซลิดสเตท สามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนเชิงพาณิชย์ได้” นายหลี่ Xin Li กล่าว “ความยืดหยุ่น และความอเนกประสงค์จากการออกแบบหลายชั้นของเรา ทำให้มันเข้ากันได้กับขั้นตอนการผลิตเป็นจำนวนมาก Mass Production ในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ การปรับขนาดให้เท่ากับแบตเตอรี่ในเชิงพาณิชย์ ไม่ใช่เรื่องง่าย และยังมีความท้าทายในทางปฏิบัติอยู่บ้าง แต่นักออกแบบเชื่อว่าพวกเขาจะเอาชนะปัญหาเหล่านี้ได้” ..

แบตเตอรี่โซลิดสเตต Solid State Battery ..

เหตุใดมันจึงอาจเปลี่ยนยานยนต์ไฟฟ้า EV ไปตลอดกาล ..

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ EV เป็นพื้นฐานสำคัญในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า .. สำหรับ Lithium Ion Battery รูปแบบมาตรฐานทั่วไปนั้น รถยนต์ไฟฟ้าปัจจุบันทุก ๆ คัน ต้องใช้มัน มันเป็นที่นิยม และทำงานได้ดีเยี่ยม แต่มันก็ยังมีข้อบกพร่องอีกหลายประการที่ทำให้ไม่เหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าระยะไกล หรืองานหนัก .. ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ ทำให้ระยะทาง และพลังขับเคลื่อนของ EV เพิ่มขึ้น แต่ก็ยังไม่มีอะไรใกล้เคียงกับ ความสะดวก ราคา และระยะทางของรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงเบนซิน หรือดีเซล ..

อย่างไรก็ตาม ความหวังที่เป็นไปได้ เมื่อเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery อาจกลายเป็นหนึ่งในทางออกที่ดีกว่า แม้ว่าจะไม่เหมาะกับทุก ๆ การใช้งาน แต่เทคโนโลยีรูปแบบใหม่นี้ อาจทำให้ระยะทางสำหรับ EVs ได้รับการปรับปรุงให้ไปได้ไกลขึ้น พร้อมสำหรับงานหนักมากขึ้น สมรรถนะของมันเทียบเคียงขยับเข้าไปใกล้ระดับพลังงานจำเพาะ หรือความหนาแน่นของพลังงานในเซลล์เชื้อเพลิงด้วยต้นทุนที่ถูกกว่า หรือแม้แต่การสร้างหมวดหมู่ยานพาหนะใหม่ทั้งหมดในอนาคต .. เราได้เห็น Tesla และ Toyota กำลังแข่งขันกันอย่างเอาจริงเอาจัง เพื่อครองตลาดอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าแห่งอนาคต ด้วยแบตเตอรี่ไฟฟ้าที่เหนือชั้น ..

แบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery คือแบตเตอรี่แบบชาร์จประจุไฟฟ้าได้หลาย ๆ รอบ ซึ่งอิเล็กโทรไลต์ อยู่ในสถานะของแข็งแทนที่จะเป็นของเหลว หรือสถานะก๊าซ ซึ่งหมายความว่า มันมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมากกว่า สามารถคายประจุ และชาร์จประจุไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็ว ด้วยรอบที่มากกว่า และไม่มีส่วนประกอบใดที่ติดไฟได้ ..

แบตเตอรี่พื้นฐานทั่วไป ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าสองขั้ว คือ ขั้วบวก และขั้วลบ ที่คั่นด้วยอิเล็กโทรไลต์ เมื่อชาร์จ หรือคายประจุอิเล็กตรอนไฟฟ้า จะมีการแลกเปลี่ยนประจุไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองนี้ ทำให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า .. อิเล็กโทรไลต์ นำ ไอออนลบ Negative Ions จากแคโทด Cathode ไปยังขั้วบวก Anode ขณะเมื่อมีการผลิตกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น และทำให้แยกออกจากกันในเวลาที่ไม่ต้องการกำลังไฟฟ้า .. อิเล็กโทรดทั้งสอง ถูกยึดเข้าไว้ด้วยกัน ด้วยวัสดุอื่นคั่นกลางไว้ที่เรียกว่า ตัวคั่น Separator ..

ในแบตเตอรี่โซลิดสเตท อิเล็กโทรไลต์เหลวในแบตเตอรี่ลิเธี่ยมรูปแบบเดิม จะถูกแทนที่ด้วยวัสดุที่เป็นของแข็ง วัสดุเหล่านี้ มีการนำไฟฟ้าสูง และไม่สามารถระเหยได้ในลักษณะเดียวกับที่อิเล็กโทรไลต์เหลวเป็น ซึ่งหมายความว่า ความเสี่ยงของการระบายความร้อนจะลดลงอย่างมาก และสามารถใช้แบตเตอรี่ในอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้อย่างปลอดภัยมากขึ้น ..

สิ่งที่ทำให้พวกมันเหนือชั้นกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนในรูปแบบมาตรฐานดั้งเดิม ได้แก่ 4 ประเด็นสำคัญที่อธิบายได้ นั่นคือ พลังงานจำเพาะ หรือความหนาแน่นของพลังงาน ความปลอดภัย ความเร็วในการชาร์จ และระยะทาง ..

เปรียบเทียบพลังงานจำเพาะ หรือความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่รูปแบบต่าง ๆ ..

เมื่อเปรียบเทียบพลังงานจำเพาะ หรือความหนาแน่นของพลังงานต่อมวลของแบตเตอรี่ไฟฟ้าแล้ว พบว่า พลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ Sold State Battery Specific Energy ที่กำลังเตรียมจะเริ่มวางตลาดในเร็ว ๆ นี้แล้ว คือ 330 Wh/Kg ในขณะที่ ปัจจุบัน หลายบริษัทผู้ผลิตมีแผนงานที่จะพัฒนาให้มีความจุเกิน 400 Wh/Kg ให้ได้ ภายในปี 2565 ..อย่างไรก็ตาม พลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ Sold State Battery จะอยู่ในช่วงระหว่าง 330 – 450 Wh/Kg ..

ในขณะที่ Semi Solid Battery ของ 24M Technologies ก็กำลังมาแรง คือ 350 Wh/Kg มันเป็นที่สนใจของบริษัท GPSC หนึ่งใน Flagship ของกลุ่ม ปตท.ของไทยอย่างมาก เพราะมันมีอนาคต ให้กำลังไฟฟ้าสูง ทนทาน และเบามาก กับที่สำคัญ มันสามารถถูกผลิตในประเทศไทย และนำเข้าสู่ตลาดได้อย่างรวดเร็วกว่า ในเร็ววันนี้ ก่อน Solid State Lithium Battery จะเข้าสู่ตลาดโลกได้จริง ๆ ด้วยสมรรถนะใกล้เคียงกัน แต่ราคาถูกกว่า ..

นอกจากนั้น ผู้เขียนยังมีตัวอย่างความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่อื่น ๆ ที่นำมาเปรียบเทียบในตลาดอีก ได้แก่ แบตเตอรี่ลิเธี่ยม Lithium Ion Battery ของ Tesla Model 3 คือ 250 Wh/Kg , Battery Hybrid ชนิด Nickel – Metal Hydride Battery คือ 90 Wh/Kg และ แบตเตอรี่กรดแบบดั้งเดิม Lead – Acid คือเพียงประมาณ 35 – 40 Wh/Kg เท่านั้น ..

และเพราะว่า ด้วยการคำนวณทางวิศวกรรมแบบคร่าว ๆ แล้ว แบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่ให้กำลังขับเคลื่อน ได้เท่ากับ Tesla Model 3 รุ่น Long Range ที่มีความจุแบตเตอรี่ที่่ 75 KWh นั้น จะต้องใช้แบตเตอรี่แบบต่าง ๆ เปรียบเทียบตามน้ำหนัก ได้ดังนี้ :-

– แบตเตอรี่กรดแบบดั้งเดิม Lead – Acid : 1,875 กิโลกรัม และนั่นหมายถึงน้ำหนักตัวแบตเตอรี่เกือบ 2 ตัน

– แบตเตอรี่นิกเกิล – เมทัลไฮไดรด์ Ni – MH หรือ Nickel – Metal Hydride Battery : 833 กิโลกรัม

– แบตเตอรี่ลิเธี่ยม ไอออน Lithium – Ion Battery : 478 กิโลกรัม .. ซึ่งเท่ากับน้ำหนักประมาณเกือบครึ่งตัน

– แบตเตอรี่เซมิโซลิดสเตท Semi Solid State Battery : 214 กิโลกรัม

– แบตเตอรี่ลิเธี่ยมโซลิดสเตท Solid State Battery : 187 กิโลกรัม

ดังนั้น หากเรานำแบตเตอรี่ Solid State หรือ Semi Solid State Battery มาใช้แทน แบตเตอรี่ของรถยนต์ไฟฟ้าเช่น Tesla Model 3 ในปัจจุบันแล้ว น้ำหนักของมันจะลดลงเหลือเพียง 187 Kg จาก 478 Kg หรือหมายถึงน้ำหนักแบตเตอรี่ จะลดลงกว่าแบตเตอรี่ใน Tesla Model 3 ถึงประมาณ 2 เท่าครึ่ง ซึ่งจะทำให้ รถยนต์ไฟฟ้าในอนาคตเหล่านี้นั้น อาจมีน้ำหนักเบาพอ ๆ กับรถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงฟอสซิลได้แน่นอนในที่สุด ..

คาดหมายได้ว่า ภายใน ปี 2025 หรือ พ.ศ.2568 คนไทยจะได้เห็นรถยนต์ไฟฟ้าใช้แบตเตอรี่ Solid State Battery ขนาด 300 KWh ที่วิ่งอยู่บนถนนในประเทศไทย ด้วยระยะทาง 1,500 Km ต่อการชาร์จประจุไฟฟ้าเพียงครั้งเดียวแน่นอน ..

ประเด็นด้านความปลอดภัย ความปลอดภัย ความเร็วในการชาร์จ และระยะทาง ..

แบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery ปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่อิเล็กโทรไลต์เหลวแบบเดิม เนื่องจากไม่มีอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์ เป็นของแข็งจึงไม่มีความเสี่ยงต่อการจุดระเบิด ที่อาจทำให้เกิดการระบายความร้อนได้ วัสดุที่เป็นของแข็ง จะไม่ระเหยขณะชาร์จ และคายประจุ ..

ดังนั้น จึงไม่มีความเสี่ยงที่จะเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนระหว่างการชาร์จ โดยทั่วไปแล้ว การระบายความร้อนจะเกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ร้อนเกินไป ซึ่งมักเกิดจากการชาร์จไฟเกินหรือความเสียหายที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จหรือการใช้งาน ..

ในประเด็นเกี่ยวกับความเร็วในการชาร์จประจุไฟฟ้านั้น .. ปัญหาอีกประการหนึ่งของแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนแบบเดิม ก็คือ การชาร์จอย่างรวดเร็วนั้น ทำได้ยาก .. เมื่อแบตเตอรี่เต็มต้องใช้เวลาในการชะลอการไหลของไอออน และเมื่อแบตเตอรี่หมด ต้องใช้เวลาในการสร้างกระแส ทำให้เวลาในการชาร์จประจุไฟฟ้านั้น ไม่สามารถคาดเดาได้ และทำให้มันไม่น่าสนใจสำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้า .. ซึ่งประเด็นดังกล่าวนี้ เป็นปัญหาของยานยนต์ไฟฟ้ามาโดยตลอด ..

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery สามารถชาร์จประจุได้สูงถึง 80% ในเวลาเพียงสิบห้านาที .. ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่ลิเธี่ยมที่มีใช้งานอยู่ปัจจุบัน ในเวลาสิบห้านาทีเท่ากัน จะสามารถชาร์จประจุไฟฟ้าได้เพียงไม่เกิน 50% เท่านั้น ..

ทั้งนี้ สำหรับในประเด็นของระยะทาง .. แบตเตอรี่โซลิดสเตต สามารถชาร์จ และคายประจุได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนแบบเดิมหลายเท่า อย่างสบาย ๆ ทำให้เหมาะสมสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าในการเดินทางระยะไกล ซึ่งเป็นความต้องการส่วนใหญ่ของตลาด .. ปัจจุบันการสูญเสียศักยภาพความจุกำลังไฟฟ้าหลังจาก 1,000 รอบการคายประจุ เป็นเรื่องปกติสำหรับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน ในขณะที่แบตเตอรี่โซลิดสเตทในห้องปฏิบัติการ สามารถรักษา 90% ของความจุกำลังไฟฟ้าเดิมหลังจาก 5,000 รอบ รวมทั้งผลการทดสอบทดลอง ทำให้มั่นใจได้ว่า อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นนั้น จะไม่ก่อให้เกิดปัญหาการเสื่อมสภาพของตัวแบตเตอรี่เอง แม้จะมีการใช้งานหนักอย่างน้อยจนถึง 10,000 รอบไปแล้ว ..

สรุปส่งท้าย ..

ปัจจุบัน การวิจัย และพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น เทคโนโลยีโซลิดสเตทอาจยังไม่เหมาะสำหรับการใช้งานบางประเภท และจำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติม เพื่อให้ใช้งานได้หลากหลายในระดับความเชื่อมั่นสูงกว่า และเพราะว่า มันมีแนวโน้มความเป็นไปได้สูงมากในการเข้าสู่ตลาดยานยนต์ไฟฟ้าเชิงพาณิชย์ในอนาคตอันใกล้ .. ด้วยเหตุนี้ จึงอาจต้องใช้เวลาอีกสักเล็กน้อยก่อนที่เทคโนโลยีเหล่านี้ จะสามารถพิสูจน์ให้เห็นชัดเจนได้ว่า มันจะสามารถแข่งขันกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออน Lithium Ion Battery ได้ทั้งในด้านราคา ความหนาแน่นของพลังงาน ความสามารถในการใช้งานจริง ขนาด น้ำหนัก ความทนทาน และโครงสร้างพื้นฐาน ..

ต้นทุนราคา ค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้อง จะต้องลดลงอีก หากอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้า วางแผนจะนำเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซลิดสเตต ไปใช้งานกับรถยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicle: EV ในตลาด .. ปัจจุบันพวกมัน ยังคงมีราคาสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนถึง 3 เท่าต่อกิโลวัตต์ แต่ต้นทุนของวัสดุที่ใช้ในเซลล์ลิเธี่ยมไอออน คิดเป็นเพียง 20 % ของต้นทุนโดยรวม การวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับวัสดุที่ราคาถูกกว่า จะช่วยลดต้นทุน และทำให้เทคโนโลยีนี้ ใช้งานได้จริงสำหรับการเข้าสู่ตลาดยานยนต์ไฟฟ้าที่กำลังขยายตัวด้วยความเร่งทั่วโลกตั้งแต่ปีที่ผ่านมา ..

แม้ว่า ในเทคนิคทางวิศวกรรม แบตเตอรี่โซลิดสเตท จะมีประสิทธิภาพสูงกว่ากับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนทั่วไป เมื่อทดสอบในห้องปฏิบัติการ แต่การชาร์จประจุไฟฟ้าอย่างรวดเร็วนี้ กระทำได้ยากกว่าในสภาพการใช้งานจริงบนถนน ระยะเวลาในการชาร์จประจุได้อย่างรวดเร็วสำหรับการทดสอบในห้องปฏิบัติการ ทำได้โดยใช้วัสดุเกรดสูงในห้องทดลอง และอุปกรณ์ชาร์จประจุซึ่งมีราคาแพงเกินไปสำหรับใช้งานใน EV เชิงพาณิชย์ ..

แบตเตอรี่โซลิดสเตทสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า ยังอยู่ในขั้นตอนการพัฒนา และยังไม่มีการผลิตในปริมาณมาก .. อย่างไรก็ตาม มีความสนใจมากมายจาก บริษัทอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้ายักษ์ใหญ่ มหาวิทยาลัย และธุรกิจสตาร์ทอัพ Start – Up ที่บุกเบิกการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตต ..

เนเธอร์แลนด์ ประกาศไว้เมื่อเดือนพฤษภาคม 2560 ว่า ภาครัฐ แผนจะลงทุนกว่า 900 ล้านยูโร หรือประ มาณ 34,298 ล้านบาท ในแบตเตอรี่โซลิดสเตท ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของนวัตกรรมด้านพลังงานของประเทศ ..

ไม่มีการทดสอบโดยบุคคลที่สามเกี่ยวกับการใช้งานแบตเตอรี่โซลิดสเตทในระยะยาว เพื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนแบบดั้งเดิมในรถยนต์ไฟฟ้า .. สิ่งนี้ทำให้ยากที่จะบอกได้อย่างแน่นอนว่าเซลล์ไฟฟ้าเหล่านี้ จะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเซลล์ไฟฟ้า Lithium – Ion รูปแบบมาตรฐานในรถยนต์ไฟฟ้า EV ซึ่งต้องมีอายุ 10 ปีขึ้นไป .. แบตเตอรี่โซลิดสเตทสำหรับรถยนต์ไฟฟ้านั้น จะมีคุณภาพดีพอกับการทำงานร่วมกับอุปกรณ์อื่นที่ใช้อยู่ในปัจจุบันหรือไม่ .. การตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบทั้งหมดเข้ากันได้ และไม่มีปัญหา เช่น การเกิดจุดความร้อนในเซลล์ไฟฟ้า หรือการเสื่อมสภาพของตัวแบตเตอรี่ เมื่อเวลาผ่านไป จะเป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้ รถยนต์ไฟฟ้า EV ทำงานได้อย่างราบรื่นต่อไปในอีกหลายปีสู่อนาคตข้างหน้า ..

สถานีชาร์จประจุไฟฟ้า ก็เช่นกัน มันต้องสามารถรองรับการชาร์จประจุไฟฟ้าที่รวดเร็วกว่าแบตเตอรี่ลิเธี่ยมไอออนแบบเดิม แท่นชาร์จสำหรับยานยนต์ไฟฟ้ารุ่นเดิม อาจไม่สามารถใช้งานร่วมกับแบตเตอรี่โซลิดสเตทได้ .. ความเร็วของการชาร์จประจุไฟฟ้า และอาจทำให้เกิดปัญหาการระบายความร้อนได้ .. เทคโนโลยีการชาร์จ จะต้องขึ้นอยู่กับศักยภาพแนวโน้มความเร็วการชาร์จประจุไฟฟ้าที่จะบรรลุได้ และปลอดภัย ..

ดังนั้น การปรับปรุงสถานีชาร์จประจุไฟฟ้าปัจจุบัน ให้รองรับการ Fast Charge ของ Solid State Batteries ได้พร้อมด้วยนั้น เป็นความจำเป็นเร่งด่วน ซึ่งหมายรวมถึง จุดชาร์จเร่งด่วนที่ติดตั้งในครัวเรือนด้วย ..

ตัวอย่างการลงทุนของ Toyota ใน Solid State Batteries ที่คำนึงถึงข้อพิจารณาต่าง ๆ ที่อาจเกิดขึ้นทั้งหมดเหล่านี้ ถือเป็นสุดยอดการลงทุนด้านพลังงานด้วยงบประมาณจำนวนมากสำหรับการวิจัย และพัฒนาในเรื่องนี้ เพราะมันสำคัญมากต่อความรู้ความเข้าใจต่อการวางระบบการจัดเก็บพลังงาน และความมั่นคงทางพลังงานของญี่ปุ่น เชื่อว่า Toyota ได้รับแรงหนุนจากภาครัฐอย่างต่อเนื่องต่อไป ..

ล่าสุด Toyota ประกาศจะเปิดตัวรถยนต์ไฟฟ้าต้นแบบที่ใช้แบตเตอรี่โซลิดสเตท จะออกสู่ตลาดภายในปีนี้ .. เนื่องจากพวกเขาเป็นเจ้าของสิทธิบัตรมากกว่า 1,000 รายการเกี่ยวกับแบตเตอรี่โซลิดสเตท และญี่ปุ่น ได้สร้างกองทุนสีเขียวมูลค่า 19 พันล้านดอลลาร์สหรัฐฯ ซึ่งรวมถึงการลงทุนในเทคโนโลยีเซลล์ไฟฟ้าโซลิดสเตท เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน และการพัฒนาแหล่งพลังงานทางเลือก กับระบบจัดเก็บพลังงานรูปแบบต่าง ๆ .. ดังนั้น จึงไม่น่าแปลกใจที่เห็นว่าพวกเขากลายเป็นประเทศผู้นำในเทคโนโลยีแบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้าต่อเนื่องมาโดยตลอด ซึ่งรวมถึงแบตเตอรี่ลิเธี่ยมโซลิดสเตท Solid State Lithium Battery อีกด้วย ..

ขณะที่แบตเตอรี่โซลิดสเตท อาจยังไม่พร้อมสำหรับการใช้งานกับ EV อย่างแพร่หลายในปัจจุบัน .. แต่มันคือโอกาสทางธุรกิจที่สดใส .. นักลงทุน ยังคงจับตามอง และเชื่อมั่นว่า มันจะกลายเป็นกุญแจสำคัญสำหรับเทคโนโลยีการขนส่งในอนาคต.. เทคโนโลยีเหล่านี้ มีศักยภาพที่จะเขย่าวงการยานยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicle: EV และสร้างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในฐานะแหล่งพลังงาน และระบบจัดเก็บพลังงานไปได้อีกขั้นหนึ่ง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงชีวิตความเป็นอยู่ของผู้คนทั่วโลกไปสู่อนาคตพลังสะอาดที่รักษ์โลกได้ ..

อย่างไรก็ตาม Tesla จะดำเนินการเช่นเดียวกับ Toyota หรือไม่ ยังเป็นที่สงสัย .. แบตเตอรี่เซลล์ไฟฟ้ารุ่นล่าสุด Tesla’s New 4680 Battery Cell บนรถยนต์ไฟฟ้าของ Tesla ออกสู่ตลาดยานยนต์ไฟฟ้าด้วยความมั่นใจ มันน่าจะทำตลาดได้ดี ด้วยความหนาแน่นของพลังงานที่ 300 Wh/Kg ซึ่งมิได้น้อยกว่ามากเมื่อเทียบกับความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่โซลิดสเตทที่ระดับมากกว่า 450 Wh/Kg ในห้องปฏิบัติการของ Toyota .. เมื่อสิ่งนี้ปรากฏขึ้น ซึ่งดูเสมือน Tesla ยังคงตามหลัง Toyota อยู่ก้าวหนึ่ง จึงน่าแปลกใจที่ Tesla ยังไม่ได้วางแผนพัฒนาเทคโนโลยีนี้อย่างจริงจังมากนัก แน่นอนว่ามันจะเข้ากันได้ดีกับ “แผนหลัก” ของพวกเขา ..

ทั้งนี้ สิทธิบัตรจำนวนมากเกี่ยวกับการชาร์จแบตเตอรี่ และโครงสร้างพื้นฐานการชาร์จประจุไฟฟ้าของ Tesla แสดงให้เห็นว่า พวกเขาตระหนักดีถึงศักยภาพของแบตเตอรี่โซลิดสเตท และอาจรอให้เทคโนโลยีเติบโตขึ้นอีกเล็กน้อยก่อนที่จะวางแผนพัฒนามันอย่างจริงจังสำหรับตลาดในอนาคตมากกว่า 5 ปีข้างหน้าต่อไป ..

โดยสรุปแล้วแบตเตอรี่โซลิดสเตท Solid State Battery อาจเป็นเทคโนโลยีที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าเดินทางระยะไกลได้ที่มีราคาไม่แพง และขับขี่ได้อย่างสะดวกสบายสำหรับผู้บริโภคทุกคน .. อย่างไรก็ตาม วิธีดำเนินการก่อนที่จะนำเข้าสู่ตลาดในวงกว้างได้นั้น ต้นทุนของมันจะต้องลดลงอีก เทคโนโลยีต้องได้รับการทดสอบในสภาพโลกแห่งความเป็นจริง และต้องปรับปรุงโครงสร้างพื้นฐานไปทีละขั้นตอน เช่นเดียวกับในช่วงแรกการเข้าสู่ตลาดของยานยนต์ไฟฟ้า ..

ทั้งนี้ ด้วยเงิน และงบประมาณจำนวนมากที่ลงทุนไปกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่รูปแบบใหม่นี้ ทำให้มีแนวโน้มว่า มันจะกลายเป็นความจริงได้ภายในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าเท่านั้น .. ดังนั้น มันจึงเป็นเพียงเรื่องของเวลาก่อนที่ความสำเร็จของการวิจัยเพิ่มเติมจะมาถึง พร้อมกับราคาแบตเตอรี่โซลิดสเตต ที่จะลดลงอีกตามการผลิตที่เพิ่มขึ้น .. หลังจากนั้น คาดหมายได้ว่า เทคโนโลยีใหม่นี้อาจเข้าสู่ตลาด และใช้งานอยู่บนรถยนต์ไฟฟ้า Electric Vehicle: EV ของคุณอีกไม่นานเกินรอได้ในที่สุด ..

คอลัมน์ Energy Key

By โลกสีฟ้า ..

สนับสนุนคอลัมน์ โดย E@ บริษัท พลังงานบริสุทธิ์ จำกัด (มหาชน)

ขอบคุณเอกสารอ้างอิง :-

Solid – State Li – Metal Batteries | Challenges and Horizons of Oxide and Sulfide Solid Electrolytes and Their Interfaces | Advenergymat

Are solid – State batteries the holy grail for 2030? | DNV

A Long – Lasting & Stable Solid – State Lithium Battery | Harvard College

Solid State Battery Landscape | QuantumScape :-

Solid-State Battery Landscape

What You Need to Know About Solid-State Batteries | Autoweek

Japan Charges into Green Tech Race, Eyeing Solid – State Battery Prize | Nikkei Inc.

Toyota’s Quick-Charging Solid-State Battery Coming in 2025 | Car and Driver

Everything You Need To Know About Tesla’s New 4680 Battery Cell | CleanTechnica

Tesla competitors Ford, BMW lead $130M funding round in Solid – State Battery Startup | Tesla :-

https://www.teslarati.com/tesla-rival-ford-vw-solid-state-battery-vs-4680/

A Dynamic Stability Design Strategy for Lithium Metal Solid State Batteries | Luhan Ye & Xin Li :-

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03486-3

Solid – State Battery Landscape | QuantumScape :-

Solid-State Battery Landscape

Future Battery : อนาคตแบตเตอรี่ | The Key News :-

Future Battery : อนาคตแบตเตอรี่