ในปี 1801 (รัชสมัยสมเด็จพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช) Alessandro Volta ประสบความสำเร็จในการประดิษฐ์เซลล์ไฟฟ้าเซลล์แรกของโลก อีกสองปีต่อมาเขาได้สาธิตการทำงานของอุปกรณ์นี้ถวายแด่จักรพรรดิ Napolean Bonaparte นักประดิษฐ์ชาวอิตาเลียนคนนี้คงนึกไม่ถึงว่าอีก 216 ปีต่อมา สิ่งประดิษฐ์ของท่านคืออุปกรณ์สำคัญชิ้นหนึ่งในการดำรงชีวิตของมนุษย์ทุกคนทั้งในอดีตปัจจุบันและอนาคต เพราะเซลล์ไฟฟ้าที่ถูกนำมาเรียงกันเป็นแบตเตอรี่ คือ แหล่งกำเนิดพลังงานในคอมพิวเตอร์ laptop กล้องถ่ายภาพดิจิตอล โทรศัพท์มือถือ รถยนต์ ฯลฯ พูดสั้นๆ คือ ขับเคลื่อนโลก
เซลล์ไฟฟ้าที่ Volta ประดิษฐ์ทำด้วยแผ่นสังกะสีกับแผ่นโลหะเงินเป็นขั้วบวกและขั้วลบตามลำดับ โดยมีหนังสัตว์ที่ชุ่มโชกด้วยน้ำเกลือคั่นกลาง จึงสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้จากปฏิกิริยาเคมี เพราะอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ได้ในลวดที่ใช้ต่อระหว่างโลหะต่างชนิดกัน แม้จะภายในเพียงช่วงเวลาสั้น และในปริมาณไม่มากก็ตาม
เมื่อความต้องการใช้พลังงานไฟฟ้าของมนุษย์เพิ่มมากขึ้นๆ ตลอดเวลาโลกจึงต้องมีแหล่งกำเนิดพลังงานรูปแบบใหม่ที่สามารถผลิตพลังงานได้มากตาม เช่น เตาปฏิกรณ์ปรมาณู ซึ่งมีข้อเสีย คือ มีกากกัมมันตรังสีที่เป็นภัยต่อชีวิตหลงเหลือ และโรงงานไฟฟ้าที่ใช้ถ่านหินก็มีข้อเสียที่สำคัญคือ ปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมาสร้างมลพิษในอากาศและทำให้โลกร้อน
ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงต้องแสวงหาพลังงานทางเลือกชนิดใหม่ที่ปราศจากข้อเสียเหล่านี้ บางคนเสนอให้ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ แต่ทุกคนก็ต้องยอมรับว่าเวลาท้องฟ้ามีเมฆครึ้ม และฝนตก พลังงานแสงอาทิตย์ก็จะไม่มี ส่วนความต้องการจะมีพลังงานลมใช้นั้น พื้นที่นั้นก็ต้องมีลมที่มีความเร็วพอสมควรพัดผ่าน ถ้าลมไม่พัดหรือพัดแผ่วๆ แม้แต่เทวดาก็ไม่สามารถบันดาลพลังงานลมให้เกิดได้ ความไม่สม่ำเสมอและการแปรปรวนของสายลม กับแสงแดดจึงนับเป็นปัญหาใหญ่สำหรับการมีพลังงานทางเลือกสองรูปแบบนี้
ถึงวันนี้นักวิทยาศาสตร์และนักเทคโนโลยีทั่วโลกกำลังสนใจแบตเตอรี่ลิเทียม ซึ่งเป็นเทคโนโลยีสีเขียว เพราะสามารถเปลี่ยนพลังงานเคมีในแบตเตอรี่เป็นพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกทั้งไม่ปล่อยสารพิษหรือกัมมันตรังสีใดๆ ออกมาทำลายสิ่งแวดล้อม แต่แบตเตอรี่ลิเทียมปัจจุบันยังทำงานได้ไม่ถึงระดับที่ทุกคนต้องการ เพราะแบตเตอรี่ลิเทียมที่ประเสริฐจะต้องปลอดภัยเวลาใช้ มีราคาถูก สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากและได้นาน ซึ่งคุณสมบัติทั้งหมดนี้ทำให้การสร้างแบตเตอรี่ลิเทียมเป็นเรื่องยาก
ลิเทียมที่โลกมี ส่วนใหญ่มักฝังลึกอยู่ใต้ดิน ในบริเวณที่แห้งแล้งที่สุดของโลก เช่น ที่ราบ Salar de Atacama ในชิลีซึ่งมีลิเทียมประมาณ 3.3 ล้านตันแฝงอยู่ใต้พื้นที่ 2,800 ตารางกิโลเมตร ส่วนประเทศเพื่อนบ้านของชิลี คือ อาร์เจนตินาใกล้ที่ราบ Salar de Atacama ซึ่งมีพื้นที่ 550 ตารางกิโลเมตร ก็มีลิเทียมมากเช่นกัน ทั้งสองประเทศนี้ส่งลิเทียมเป็นสินค้าออกประมาณปีละ 20,000 ตัน สำหรับโบลีเวียก็มีแหล่งลิเทียมในพื้นที่ 10,582 ตารางกิโลเมตรของที่ราบ Salar de Uyuni ผู้เชี่ยวชาญจากองค์การ US Geological Survey ได้ประมาณว่าโบลิเวียมีลิเทียมประมาณ 50% ของทั้งหมดที่โลกมี
ดังนั้นเมื่อใดที่โลกมีแบตเตอรี่ลิเทียมใช้ Bolivia ก็จะเป็นมหาอำนาจทางพลังงานจากลิเทียมทันที ในทำนองเดียวกับที่ Saudi Arabia เป็นมหาอำนาจทางพลังงานจากน้ำมันในปัจจุบัน
ย้อนไปในสมัยคริสต์ศตวรรษที่ 19 โบลิเวียได้เคยเป็นอาณานิคมของสเปน การเป็นแหล่งทรัพยากรธรรมชาติ เช่น เงิน และ ทองคำที่มีค่าได้ชักนำให้รัฐบาลสเปนสั่งขุดไปมากมาย ทำให้สเปนร่ำรวยจนเป็นมหาอำนาจอันดับหนึ่งของโลก
ครั้นเมื่อมีการสำรวจพบว่า โบลิเวียมีลิเทียมในปริมาณประมาณ 100 ล้านตัน บริษัท Mitsubishi และบริษัท Lithium Corporation of America จึงได้เข้ามาขอสัมปทานการขุด แต่ประธานาธิบดี Euo Moralls ต้องการให้โบลิเวียสร้างอุตสาหกรรมลิเทียมของตนเอง จึงไม่อนุญาตให้คนต่างชาติเข้ามาทำธุรกิจในประเทศ และได้กำหนดเป็นนโยบายให้กระทรวงวิทยาศาสตร์กับกระทรวงศึกษาธิการของโบลิเวียระดมกำลังสร้างนักเคมี นักธรณีวิทยา และวิศวกร ฯลฯ เพื่อรองรับอุตสาหกรรม กับเทคโนโลยีลิเทียมที่กำลังจะเกิดในโบลิเวียในอนาคต
บริเวณใต้ที่ราบ Salar de Uyuni นั้นวิศวกรได้พบว่า มีชั้นเกลือลิเทียมซ้อนกันหลายชั้น หลังจากที่ได้ขุดลงไปลึก 220 เมตร ผู้เชี่ยวชาญก็ได้พบว่า ที่นี่มีความเข้มข้นของลิเทียมมากถึง 4,000 ส่วนในล้านส่วน จึงนับเป็นบริเวณที่มีความเข้มข้นของลิเทียมสูงที่สุดในโลก
ครั้นถึงเวลาจะสกัดลิเทียมจากใต้ดิน ผู้ขุดจะฉีดน้ำลงไป แล้วสูบน้ำเกลือจากใต้ดินขึ้นมา เพื่อตากแดดให้น้ำระเหยไป เหลือแต่เกลือลิเทียมกับ sulphate ของ magnesium และ potassium จากนั้นก็พยายามแยกเกลือต่างๆ ที่มิใช่ lithium chloride ออกไป เหลือแต่ lithium chloride ที่บริสุทธิ์ ซึ่งจะถูกนำไปแปลงเป็น lithium carbonate เพื่อใช้ในแบตเตอรี่ลิเทียม ปัจจุบันโบลิเวียสามารถผลิต lithium carbonate ได้ประมาณปีละ 500 ตัน
ปัญหาที่พบในขั้นตอนของการสกัดลิเทียมนั้น คือ นักวิชาการยังไม่รู้ว่า น้ำเกลือลิเทียมควรมีความเข้มข้นเพียงใด จึงจะระเหยได้ดีที่สุด และใช้เวลาน้อยที่สุด นอกจากนี้ก็ยังมีปัญหาเรื่องเกลือที่ขุดได้มักมีเกลือของ magnesium ปนอยู่ด้วย และเมื่อ magnesium ระเหยยาก จึงแยกออกจากลิเทียมยาก เพราะทั้งสองธาตุมีสมบัติเคมีที่คล้ายกัน ทว่ามีราคาแตกต่างกันมาก คือ แมกนีเซียมมีราคาแพงกว่าลิเทียมประมาณ 20 เท่า
รัฐบาลได้ตั้งความหวังว่าประเทศโบลิเวียจะมีอุตสาหกรรมลิเทียมในอีก 25 ปีข้างหน้า ซึ่งถ้าฝันเป็นจริงชาวโบลิเวียทั้งประเทศก็จะรอดพ้นจากความยากจน ดังนั้นจึงอนุมัติโครงการจะสร้างโรงงานผลิตลิเทียมเพื่อนำเงินเข้าประเทศให้ได้ประมาณปีละ 400 ล้านบาท และกำหนดให้โรงงานที่สร้างใหม่นี้มีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุดด้วย
เมื่อพูดถึงการทำงานของแบตเตอรี่ แม้แบตเตอรี่ที่ใช้ในโลกจะมีแบบต่างๆ กัน แต่โครงสร้างพื้นฐานของมันก็ยังเหมือนเดิม คือ ทุกแบตเตอรี่จะต้องมีขั้ว (electrode) สองขั้ว ขั้วหนึ่งเป็นขั้วบวก (anode) ซึ่งจะให้อิเล็กตรอนแก่อีกขั้วหนึ่งซึ่งเป็นขั้วลบ (cathode) ดังนั้น เวลามีเส้นลวดต่อระหว่างขั้วทั้งสอง กระแสไฟฟ้าจะไหลทำให้หลอดไฟฟ้าสว่างและแปรงไฟฟ้าทำงาน แต่ปัญหาจะเกิดตามมาในเวลาอีกไม่นาน เพราะอิเล็กตรอนที่เก็บสะสมที่แคโทดจะผลักอิเล็กตรอนที่กำลังทยอยมา (เพราะประจุลบที่เหมือนกัน จะผลักกัน)
ดังนั้น เพื่อให้การไหลของไฟฟ้าดำเนินไปได้อย่างต่อเนื่อง แบตเตอรี่จึงต้องมีสาร electrolyte ซึ่งอาจจะเป็นของแข็ง ของเหลว หรือเจล (gel) ก็ได้คั่นระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ ให้ไอออนที่มีประจุบวกเคลื่อนที่จาก anode ไป cathode โดยผ่านทาง electrolyte และ electrolyte จึงเป็นปัจจัยสำคัญที่ช่วยให้แบตเตอรี่ทำงานได้ เพราะให้ไอออนบวกเคลื่อนที่ผ่านไป ในขณะที่เส้นลวดจะให้อิเล็กตรอนเท่านั้นเคลื่อนที่ผ่าน
ในกรณีแบตเตอรี่ลิเทียมที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือ และคอมพิวเตอร์ laptop อาจมี anode ที่ทำด้วย graphite ซึ่งมีอะตอมลิเทียมปนอยู่ภายใน ส่วน cathode นั้นก็อาจทำด้วยสารประกอบของ lithium เมื่อเริ่มทำงาน อะตอม lithium ที่ anode จะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาใน electrolyte ให้เคลื่อนที่ไปที่ขั้ว cathode ซึ่งกระหายอิเล็กตรอนมาก ด้านอะตอม lithium เมื่อสูญเสียอิเล็กตรอนไปก็จะกลายเป็น ion ที่มีประจุบวก จึงถูกดึงดูดไปสู่ขั้ว cathode ที่มีจำนวนประจุลบมากขึ้นตลอดเวลา โดยอาศัย electrolyte การไหลวนของกระแสไฟฟ้าจึงเป็นไปได้ จนกระทั่ง ขั้ว anode ไม่มีอะตอม lithium เหลืออยู่อีกเลย
ครั้นเวลานำแบตเตอรี่ไปชาร์จใหม่ ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้ว anode กับขั้ว cathode ของแบตเตอรี่จะทำให้อิเล็กตรอน (และไอออน lithium) เคลื่อนที่กลับไปที่ graphite
เมื่อ Volta สร้างเซลล์ไฟฟ้าเซลล์แรกของโลกนั้น Volta ต้องการเลียนแบบการปล่อยไฟฟ้าฆ่าเหยื่อของปลาไหลไฟฟ้า และทดลองสร้างเซลล์โดยการลองผิด ลองถูก คือใช้โลหะต่างชนิดเป็นขั้วบวกและขั้วลบ และมีผ้าที่ชุ่มด้วยน้ำเกลือเป็น electrolyte ในเวลานั้นไม่มีใครรู้เรื่องอะตอม ไอออน หรืออิเล็กตรอนเลย ตัว Volta เองก็ไม่รู้ว่า เซลล์ไฟฟ้าทำงานอย่างไร จนอีกหนึ่งศตวรรษต่อมา นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถอธิบายการทำงานของเซลล์ไฟฟ้าได้
ในหนังสือ Bottled Lighting: Superbatteries Electric Cars and the New Lithium Economy ของ Seth Fletcher ที่จัดพิมพ์โดย Hill and Wang ในปี 2011 ผู้เขียนได้เสนอแนะว่าแบตเตอรี่ลิเทียม คือแหล่งพลังงานที่สะอาดสำหรับอนาคต
เพราะน้ำมันกำลังจะหมดโลก ดังนั้นชาติต่างๆ จึงกำลังส่งเสริมให้มีการสร้างแบตเตอรี่ลิเทียมเพื่อใช้ในรถยนต์แทนน้ำมัน และแบตเตอรี่ที่น่าสนใจ คือ แบตเตอรี่ lithium-air และแบตเตอรี่ lithium-ion แต่ก็ยังทำได้ไม่สำเร็จถึงระดับที่สามารถทำให้รถไฟฟ้าเดินทางได้ไกล 800 กิโลเมตรโดยการชาร์จเพียงครั้งเดียว
ดังนั้นบางบริษัทจึงมีความพยายามสร้างแบตเตอรี่ lithium-sulphur ซึ่งจะเป็นเทคโนโลยีราคาถูกที่สามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากกว่าแบตเตอรี่แบบ Li-ion ถึง 5 เท่า เพราะแบตเตอรี่ Li-S นี้ มีขั้ว anode ที่ทำด้วยโลหะ lithium บริสุทธิ์ซึ่งทำหน้าที่เป็นทั้ง electrode และตัวให้ lithium ion ส่วนด้าน cathode ใช้กำมะถัน (sulphur) แทน ซึ่งเป็นธาตุที่เบากว่าและสามารถเก็บ lithium ได้มากกว่า เพราะอะตอมกำมะถันหนึ่งอะตอมสามารถยึดกับอะตอม lithium ได้สองอะตอม แต่แบตเตอรี่นี้ก็ยังมีข้อเสียคือ ปฏิกริยาเคมีที่เกิดขึ้นระหว่าง lithium กับ sulphur จะทำให้เกิดสารประกอบ Li-S ที่ละลายกลับไปใน electrolyte จนทำให้ขั้ว electrode เสื่อมสมรรถภาพในที่สุด แต่วิศวกรก็เชื่อว่าแบตเตอรี่ Li-S จะเป็นแบตเตอรี่ที่มีแนวโน้มจะออกสู่ตลาดได้มากที่สุด
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
