xs
xsm
sm
md
lg

แบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออน: รางวัลโนเบลเคมีปี 2019

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

 Akira Yoshino หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 2019 จากการพัฒนาแบตเตอรีลิเที่ยม ไอออน พร้อมโชว์แบบจำลอง แบตเตอรีลิเที่ยม ไอออน (Kazuhiro NOGI / AFP)
เมื่อวันที่ 9 ตุลาคมที่ผ่านมานี้ John B. Goodenough แห่งมหาวิทยาลัย Texas ที่เมือง Austin สหรัฐอเมริกากับ M. Stanley Whitingham แห่งมหาวิทยาลัย Binghamton, State University of New York และ Akira Yoshino แห่งมหาวิทยาลัย Meijo ในญี่ปุ่น ได้รับการยกย่องให้เป็นผู้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2019 จากผลงานการประดิษฐ์แบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนที่กำลังมีบทบาทมากในการปฏิรูปด้วย การเปลี่ยนพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า โดยไม่มีการปล่อยแก๊สเรือนกระจก หรือละอองพิษ และไร้กากกัมมันตรังสี อีกทั้งอุปกรณ์ที่ใช้ก็มีขนาดเล็กสำหรับพกพาติดตัวได้ ราคาไม่แพงและให้ไฟได้อย่างสม่ำเสมอ จึงมีประโยชน์สำหรับใช้ในโทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ laptop, smartphone กล้องถ่ายภาพดิจิตอล รถไฟฟ้า ฯลฯ

โดยเฉพาะรถไฟฟ้านั้นกำลังมีแนวโน้มว่าจะใช้แบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนมากขึ้นทุกปี สถิติ ปี 2018 ได้แสดงให้เห็นว่า คนอังกฤษซื้อรถไฟฟ้าเพียง 2% ของรถทั้งหมด แต่ในปี 2019 จะซื้อเพิ่มเป็น 11% ส่วนคนนอร์เวย์ซื้อรถไฟฟ้าเพิ่ม 48% ในปี 2018 ด้านประเทศจีนในช่วงสามเดือนแรกของปี 2018 จีนขายรถไฟฟ้าไป 142,000 คัน คือเพิ่มขึ้น 154% และคาดว่าในปี 2020 จีนจะมีสถานีชาร์จแบตเตอรี่ 4.8 ล้านสถานีครอบคลุมพื้นที่ทั่วประเทศ โดยเพิ่มจาก 156,000 สถานีที่มีในปี 2017 และในปี 2020 นั้น จีนตั้งเป้าจะผลิตแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนที่มีกำลังถึง 121 GWh (จิกา-วัตต์-ชั่วโมง) ซึ่งจะมากพอให้รถไฟฟ้า 4 ล้านคันใช้ และเมื่อถึงปี 2040 อังกฤษก็จะออกกฎหมายห้ามรถยนต์ใช้น้ำมันฟอสซิล เช่น แก๊สโซลีน เบนซิน ฯลฯ

คนทั้งโลกได้ตั้งความคาดหวังว่า เมื่อถึงเวลาที่กำหนด แบตเตอรี่ที่ทุกคนใช้จะมีราคาถูกลง ใช้งานได้นาน ปล่อยกระแสไฟฟ้าได้สม่ำเสมอและเร็ว เวลาชาร์จแบตก็ไม่ต้องเสียเวลามาก นอกจากนี้แบตเตอรี่ก็ควรมีขนาดเล็กพอที่จะพกพาติดตัวได้ อีกทั้งไม่ปล่อยสารพิษ หรือสร้างมลภาวะในอากาศเหมือนน้ำมันที่เราใช้ในรถปัจจุบัน

ในปี 1801 (รัชสมัยพระพุทธยอดฟ้าจุฬาโลกมหาราช) Alessandro Volta ได้สาธิตการทำงานของแบตเตอรี่เครื่องแรกของโลกต่อพระพักตร์จักรพรรดิ Napoleon Bonaparte ในแบตเตอรี่นั้นมีสังกะสีเป็นขั้วบวก เงินเป็นขั้วลบ และมีผ้าสักหลาดที่ชุ่มด้วยน้ำเกลือเป็นสารละลาย อุปกรณ์ของ Volta สามารถปล่อยไฟฟ้าได้โดย Volta ไม่มีความรู้เลยว่า แบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

ตลอดเวลา 220 ปีที่ผ่านไป โครงสร้างหลักๆ ของแบตเตอรี่ก็ยังเหมือนเดิม คือ มีขั้วบวก (anode) และขั้วลบ (cathode) มีสาร electrolyte แต่นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันมีความรู้เรื่อง atom, ion, electron ดีขึ้นมาก
 Akira Yoshino หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 2019 จากการพัฒนาแบตเตอรีลิเที่ยม ไอออน พร้อมโชว์แบบจำลอง แบตเตอรีลิเที่ยม ไอออน (Kazuhiro NOGI / AFP)
ย้อนอดีตไปเมื่อ 45 ปีก่อน M.S. Whittingham ได้เป็นผู้บุกเบิกในการนำ lithium (โลหะที่มีมวลน้อยที่สุด) มาใช้ทำขั้วไฟฟ้า (electrode) เพราะลิเทียมมีน้ำหนักเบา และปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอมของมันได้ง่าย ไฟฟ้าจึงไหลจากขั้วบวกไปสู่ขั้วลบได้อย่างรวดเร็ว แล้วอะตอมลิเทียมก็กลายเป็นกระแสไอออนบวก พัฒนาการขั้นต่อมา คือ J.B. Goodenough ได้ใช้โลหะ lithium เป็นขั้วบวก แล้วใช้ titanium disulfide เป็นขั้วลบ เพราะธาตุ titanium ที่มีโครงสร้างเป็นขั้นๆ สามารถรับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่มาสู่ขั้วลบได้ง่าย แต่ได้พบว่าแบตเตอรี่นี้ระเบิดง่าย

ดังนั้นในปี 1980 Goodenough จึงเปลี่ยน titanium disulfide เป็น cobalt, oxide ซึ่งเสถียรกว่า จึงสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากกว่าและนานกว่าแบตเตอรี่ที่ Whittingham ออกแบบประมาณ 2 เท่า แบตของ Goodenough มีแรงดันไฟฟ้าประมาณ 4 โวลท์

อีก 5 ปีต่อมา A. Yoshino ได้ปรับแต่งขั้วบวกของแบตเตอรี่ใหม่ โดยใช้ petroleum coke ที่สามารถให้อะตอมของ lithium เข้าไปแทรกสอดในระหว่างระนาบของ petroleum coke ได้ และพบว่าอิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยออกจากอะตอม lithum ไม่ทำลายวัสดุใกล้เคียงเหมือนแบตเตอรี่แบบก่อนๆ ทำให้มีชีวิตใช้งานได้นาน

ในปี 1991 บริษัทญี่ปุ่นจึงเริ่มผลิตแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออนออกวางตลาด และมีผลทำให้โลกอิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ได้ถือกำเนิด

ลิเทียมเป็นธาตุธรรมชาติที่อยู่ลึกใต้ดิน มีพบมากประมาณ 3.3 ล้านตันในชิลี ในบริเวณที่ราบ Salar de Atacama ในพื้นที่ 2,800 ตารางกิโลเมตร และที่อาร์เจนติน่าซึ่งส่งลิเทียมเป็นสินค้าออกปีละ 20,000 ตัน ส่วนประเทศ Bolivia ก็มีที่ราบ Salar de Uyerni ซึ่งมีเกลือลิเทียมอยู่ลึก 220 เมตร มากประมาณ 200 ล้านตัน

การมี lithium มากเช่นนี้ ทำให้ Bolivia กำลังเป็นมหาอำนาจ lithium เหมือนกับที่ Saudi Arabia เป็นมหาอำนาจน้ำมัน และมี lithium ให้ขุดใช้ได้อีกหลายร้อยปี ส่วนชาติอื่นๆ เช่น อเมริกาและจีนมี lithium บ้าง ประมาณ 14% ของที่โลกมี

ตามปกติหลังจากที่ได้ขุดลงไปลึกถึงชั้นที่มี lithium ชาวเหมืองจะฉีดน้ำลงไปละลายเกลือ lithium เมื่อสูบน้ำเกลือขึ้นมาตากแดด ให้น้ำระเหยไปจนเหลือแต่เกลือ lithium chloride จากนั้นก็นำไปแปลงเป็น lithium carbonate เพื่อใช้ทำ anode ในแบตเตอรี่

ปัญหาใหญ่ที่นักพัฒนาแบตเตอรี่จะต้องเอาชนะให้ได้ในอนาคต คือ ต้องเพิ่มอายุการใช้งาน เพราะทุกครั้งที่มีการใช้แบตเตอรี่ ความสามารถในการเก็บไฟฟ้าจะลด ดังนั้นเมื่อใช้ไปนานๆ กำลังไฟก็จะตกๆ จนต้องหาแบตใหม่มาทดแทน ถ้าอุปกรณ์ที่จำเป็นต้องใช้แบตนั้น มีขนาดไม่ใหญ่มาก การพกพาแบตเตอรี่เสริมก็ไม่มีปัญหา แต่ถ้าเป็นรถไฟฟ้า ปัญหาจะวิกฤตมาก

นอกจากประเด็นนี้แล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็ยังไม่มีเทคนิคที่จะใช้ในการตรวจสุขภาพของแบตว่า จะหมดสภาพเมื่อไร ทำให้ต้องคอยจนแบตหมดไฟไปเอง งานวิจัยที่ผ่านมาได้แสดงให้เห็นว่า แบตที่มีกำลังไฟเท่ากัน จะมีอายุขัยไม่เท่ากัน บางแบตใช้งานได้นาน แต่ชีวิตของบางแบตก็สั้น บางแบตเวลาใช้ไปๆ อาจระเบิด ดังนั้นการรู้สถานภาพของแบต (ในเวลาจริง) จึงเป็นเรื่องจำเป็นว่าจะใช้งานได้อีกนานเพียงใด การเก็บข้อมูลจากแบตเก่ามาใช้ นอกจากจะให้ผลไม่แน่นอนแล้ว ยังอาจชักนำให้สรุปผิดได้ ดังนั้นขั้นตอนแรกของการศึกษาเรื่องนี้ คือ เราต้องเข้าใจวิทยาศาสตร์ ด้านการเสื่อมสลายของ lithium ว่า อะไรทำให้มันเสื่อมสภาพเร็ว หรือสลายตัวช้า

ถึงวันนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักแล้วว่า อัตราการเสื่อมด้านประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ขึ้นกับอุณหภูมิ แบตจะทำงานดี เวลามีอุณหภูมิสูง เพราะกระบวนการทางเคมีจะเกิดเร็ว เวลาระบบร้อน แต่ในเวลาเดียวกัน การเสื่อมสลายของขั้ว (electrode) ก็เกิดเร็วด้วย ดังนั้นนักวิจัยแบตจึงต้องหาทางประนีประนอมระหว่างความต้องการจะให้แบตจ่ายไฟเร็ว หรือจะให้เสียเร็ว

การทดลองในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่า อุณหภูมิที่เหมาะคือ 30°C แต่ในรถแข่ง Formula 1 แบตสำหรับรถจะทำงานดีที่สุดที่อุณหภูมิสูงกว่า 100°C เพราะรถจะออกตัวได้เร็ว แต่ก็วิ่งเร็วได้ไม่นาน ดังนั้นบริษัทรถแข่งจึงต้องการแบตที่ทำงานได้นานเป็นปี และจ่ายไฟได้เร็ว นี่คือปัญหาที่ต้องวิจัยในอนาคต

รถ Tesla Model S 100D ใช้แบต 5,000 – 8,000 ตัวติดตั้งที่ท้องรถ และต้องมีการควบคุมให้ความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิของแบตแต่ละตัวไม่มาก เพื่อให้ระบบทั้งชุดทำงานอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด
M. Stanley Whittingham หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 2019 จากการพัฒนาแบตเตอรีลิเที่ยม ไอออน (Jonathan COHEN / Binghamton University / AFP)
ปัจจุบันนี้ แบตลิเทียม-ไอออนได้รับการพัฒนาให้ใช้สาร lithium – ion phosphate, lithium nickel manganese cobalt oxide ฯลฯ เป็นตัวปล่อยอิเล็กตรอน และทำงานไปๆ โดยไม่มีใครเห็นขั้นตอนการเกิดปฏิกิริยาเคมี หรือการสลายตัวของขั้ว electrode ด้วยตา มันจึงเปรียบเสมือนกล่องดำ เพราะถ้าจะเปิดแบตออกดูภายใน อากาศที่มีออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์จะเข้าไปทำปฏิกิริยากับสารที่ใช้ทำ electrode มีผลทำให้ประสิทธิภาพตก

ดังนั้นในความพยายามจะสำรวจสภาพภายใน และเหตุการณ์ที่กำลังเกิดขึ้นในแบต นักวิทยาศาสตร์บางกลุ่มได้ใช้ ลวดนาโนที่ทำด้วย silicon แหย่เข้าไปภายในแบตเพื่อติดตามการไหลของประจุ โดยดูการเปลี่ยนแปลงที่เกิดกับลวดนาโน ขณะแบตทำงาน บ้างก็ใช้เทคนิค spectroscopy nmr, Raman spectroscopy, infrared spectroscopy, atomic force microscopy, X-ray diffraction เพื่อดูสภาพของผิว electrode และเหตุการณ์ภายในทั้งหมด รวมถึงดู lithium ion ด้วยว่า valence electron ของ lithium มีการเปลี่ยนแปลงอย่างไร

การล่มสลายของระบบก็เป็นอีกปัญหาหนึ่งที่นักวิจัยแบตต้องหาวิธีหยุดยั้ง เพราะเวลาแบตทำงานหรือเวลาชาร์จแบต กลุ่ม lithium-ion จะเคลื่อนที่จาก anode ไป cathode และอาจจับตัวกันเป็นก้อน ซึ่งจะพอกพูนกันเป็นกิ่งก้านเหมือนกิ่งไม้ (dendrite) จนในที่สุด dendrite นี้จะทะลุชั้นที่ขวางกั้น (seperator) ที่มีไว้ไม่ให้ anode ได้สัมผัส cathode ครั้นเมื่อ dendrite ทะลุถึง cathode วงจรลัดก็จะเกิด การกำจัด dendrites หลังจากที่แบตทำงานไปนานๆ จึงเป็นเรื่องที่ต้องทำ และนักทดลองได้พบว่า อาจทำได้โดยการผ่านกระแสไฟฟ้าที่แรงเป็นช่วงๆ (pulse)
John Goodenough หนึ่งในผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ปี 2019 จากการพัฒนาแบตเตอรีลิเที่ยม ไอออน (DANIEL LEAL-OLIVAS / AFP)
เยอรมนีเป็นประเทศหนึ่งที่มีนโยบายลดภัยโลกร้อน และมีเทคโนโลยีรถยนต์ที่ก้าวหน้ามาก ในปี 2016 รถยนต์ในเยอรมนีปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกสู่บรรยากาศประมาณ 13% ของ CO2 ทั้งหมด และอุตสาหกรรมรถยนต์ได้ทำเงินเข้าประเทศประมาณ 14% รัฐบาลปัจจุบันจึงได้ตั้งเป้าไว้ 2 เป้า คือในปี 2050 จะพยายามลด CO2 ลง 80% ของค่าในปี 1990 และจะผลิตรถยนต์ที่มีคุณภาพกับประสิทธิภาพดีเยี่ยม แต่รถไฟฟ้าในเยอรมนีก็ยังไม่เป็นที่นิยมมาก เพราะยังมีราคาแพง และหาสถานีชาร์จแบตยาก ดังนั้น การติดสร้างสถานีชาร์จแบตทั้งประเทศจึงเป็นเรื่องจำเป็น ถ้าจะให้รถไฟฟ้าติดตลาด ก็อาจให้สถานีชาร์จแบตอยู่ตามถนนสายหลัก ส่วนในเมืองก็มีตามสถานที่จอดรถ นอกจากนี้ก็อาจออกกฎกำหนดให้รถไฟฟ้า วิ่งได้ตามเส้นทางที่กำหนดเท่านั้น โดยมีที่จอดให้ในปริมาณพอเพียง และถ้าราคารถและราคาแบตยังไม่ลด รัฐบาลก็อาจจะต้องใช้เงินงบประมาณบางส่วนเพื่อให้ความฝันนี้เป็นจริง

จึงเป็นว่า แบตลิเทียม-ไอออนที่นักเคมีทั้งสามท่านได้ริเริ่มนั้นกำลังเปลี่ยนโลกพลังงานแล้ว แต่ก็เป็นขั้นต้น พัฒนาการของแบตลิเทียม-ไอออนยังต้องดำเนินต่อไป เพราะคนทุกคนต้องการใช้พลังงาน และโลกก็ไม่ต้องการจะใช้พลังงานฟอสซิลอีกหลังปี 2050

รางวัลโนเบลเคมีปีนี้ จึงเป็นการป่าวประกาศให้ทุกคนตระหนักในความสำคัญของแบตเตอรี่ลิเทียม-ไอออน

อ่านเพิ่มเติมจาก Bottled Lightning: Superbatteries, Electric Cars and the New Lithium Economy โดย Seth Fletcher จัดพิมพ์โดย Hill and Wang ปี 2011

สุทัศน์ ยกส้าน

ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย

อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์


กำลังโหลดความคิดเห็น...