Everlasting Battery

สร้างสถิติใหม่วันแล้ววันเล่า เช่นเราได้เห็นพาดหัวข่าวหุ้น Apple มีมูลค่าตลาดมากกว่า 2 ล้านล้านดอลลาร์ ใหญ่กว่า GDP ประเทศไทยถึง 4 เท่า ที่น่าสนใจไม่แพ้กันคือมูลค่าตลาดของหุ้น Tesla ที่สูงถึง 380,000 ล้านดอลลาร์ หรือประมาณ 80% ของเศรษฐกิจประเทศไทย และที่สำคัญคือสูงกว่าผู้นำตลาดอย่างโตโยต้าถึงเกือบเท่าตัว ขณะที่รถที่ส่งมอบโดยเทสลาในปีนี้มีประมาณ 100,000 คัน เมื่อเทียบกับโตโยต้าที่ส่งมอบไปกว่า 10 ล้านคัน น่าศึกษาดูนะครับ

นอกจากที่เทสลาเป็นบริษัทเทคโนโลยีแห่งอนาคตแล้ว อีก 2 เหตุผลที่น่าจะช่วยอธิบายเหตุการณ์นี้ได้ก็คือ การที่โรงงานที่เซี่ยงไฮ้ส่งมอบรถได้ตามที่คาดการณ์ ทำให้เริ่มมีกำไร ไม่เหมือนสตาร์ทอัพทั่วไปที่ขาดทุนอย่างต่อเนื่อง แต่ที่สำคัญคือหลังจากลงทุนในประเทศจีน ได้มีการพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่ร่วมกับผู้ผลิตแบตเตอรี่ในจีนและก้าวหน้าอย่างรวดเร็วจนมีการประกาศว่าสามารถผลิตแบตเตอรี่ที่วิ่งได้ล้านไมล์หรือ 1.6 ล้านกิโลเมตร เป็นที่ฮือฮาจนราคาหุ้นวิ่งไม่หยุด วันนี้ผมเลยจะมาชวนคุยเรื่องวิวัฒนาการของแบตเตอรี่สักหน่อยครับ 

ผมคงจะไม่เท้าความถึงเบนจามิน แฟรงคลิน ผู้ค้นพบแบตเตอรี่ในปี 1780 หรือในช่วงปี 1860 ที่มีการพัฒนาแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จได้แบบ Lead Acid ที่ยังใช้ในแบตเตอรี่รถยนต์จนถึงทุกวันนี้ แม้กระทั่งโทมัส เอดิสัน ที่ค้นพบแบตเตอรี่แบบอัลคาไลน์ในปี 1890 ที่มีความจุและความทนทานเพื่อใช้ในรถยนต์ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าหรือ BEV (ที่ผมเคยเล่าให้ฟังว่าเป็นรถยนต์รุ่นแรกๆ หลังรถม้า คือรถที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า) แต่ก็ช้าไป เมื่อบริษัทฟอร์ด มอเตอร์ได้ออกรถโมเดล T ที่เป็นที่นิยมไปก่อนแล้ว แต่ผมคงจะเน้นไปที่ลิเธียมไอออนแบตเตอรี่ เนื่องจากลิเธียมเป็นโลหะที่มีศักยภาพสูงสุดในการทำแบตเตอรี่ เพราะว่าโลหะที่มีขนาดอะตอมเล็กที่สุดและเบาที่สุด ทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้เร็ว ทำปฏิกิริยาทางเคมีได้ง่ายและสามารถเก็บพลังงานต่อน้ำหนักตัว (energy to weight ratio) ได้ดีที่สุด คาดกันว่าจะยังเป็นแกนหลักที่สำคัญในการพัฒนาการกักเก็บพลังงานของโลกไปอีกนานครับ

วิวัฒนาการของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนน่าจะเห็นได้ชัดที่สุดในโทรศัพท์มือถือของพวกเรา ในทศวรรษที่ผ่านมาที่โลกมีสมาร์ทโฟนที่ทำเราได้เห็นว่าจากโทรศัพท์ที่ฟังเพลง ถ่ายรูปได้ มาเป็นดูหนังได้ เล่นเกมได้ แล้วยังสามารถอยู่ได้เป็นวัน ซึ่งหมายถึงว่าแบตมีความจุมากขึ้น ใช้งานได้นานขึ้น และยังสามารถชาร์จได้เร็วขึ้น แต่เราก็เปลี่ยนมือถือเกือบทุก 1-2 ปี ไม่เช่นนั้นแบตก็จะเสื่อม ซึ่งนอกจากจะทำให้เราต้องคอยพก power bank เมื่อเข้าสู่ปีที่ 3-4 แล้ว การทำงานของเครื่องโทรศัพท์ก็ช้าลง

เหตุหลักๆ ที่ทำให้แบตเสื่อมคือ 1) การทำ fast charging เป็นประจำ 2) การปล่อยให้แบตหมดแล้วค่อยชาร์จ และชาร์จจนเต็ม (deep charging) 3) การใช้งานภายใต้สภาพแวดล้อมที่ร้อนมากหรือเย็นมาก 4) การทิ้งโทรศัพท์ไว้เฉยๆ เมื่อนำมาใช้ใหม่ แบตก็จะเสื่อมเมื่อไม่มีการใช้งาน หรือเสื่อมตามอายุขัย (degradation) ซึ่งปัญหาต่างๆ เหล่านี้ล้วนเป็นประเด็นที่ต้องพัฒนาอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะเมื่อไปใช้ในรถยนต์ที่มีความซับซ้อนและต้องการการตอบสนองอย่างรวดเร็วและต่อเนื่อง พลังไม่ตกตลอดอายุใช้งาน

ผู้ประกอบการรถยนต์เข้าใจในความกังวลของผู้บริโภคในเรื่องนี้ จึงมีการรับประกันเกิดขึ้น ไม่ว่าจะรับประกัน 8 ปีหรือ 200,000 กม. แต่การที่แบตเสื่อมตามอายุขัย (ดังที่อธิบายข้างบนว่า เมื่อทิ้งไว้เฉยๆก็เสื่อมได้) หรือตามการใช้งาน (จากการชาร์จ ซึ่งปกติจะสามารถชาร์จได้ระหว่าง 500-1,000 รอบ หรือถ้าเราชาร์จทุกวันก็ประมาณ 3 ปี) ล้วนแล้วแต่เป็นข้อจำกัดที่ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ากำลังหาทางออกกัน ซึ่งล่าสุด การที่ 2 พันธมิตรธุรกิจคือเทสลาจากสหรัฐและ CATL จากประเทศจีนได้ประกาศว่าจะสร้างแบตเตอรี่ล้านไมล์ก็เป็นที่จับตาว่าเทคโนโลยีที่มาตอบโจทย์การเสื่อมของแบตเตอรี่ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์ทราบดีว่า ด้วยความที่ลิเธียมเป็นสารที่ไวต่อการทำปฏิกิริยาเคมี ย่อมหมายถึงว่า จะจับกับสิ่งปนเปื้อนได้ง่าย ยิ่งถ้ากระบวนการผลิตไม่ได้มาตรฐาน จะทำให้เกิดสารคล้ายๆ กับสนิมที่ขั้วแบตได้ง่ายมากขึ้น เมื่อสะสมมากพอก็อาจจะทำให้เกิดภาวะคล้ายๆ หินงอก หินย้อยในถ้ำ (dendrite) ถ้าถึงจุดที่เชื่อมขั้วบวกเข้ากับขั้วลบ ก็จะทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรแล้วไฟไหม้หรือระเบิดได้ และ fast charging ก็เป็นการเร่งกระบวนการเกิดหินงอก หินย้อยที่ว่า 

นักวิทยาศาสตร์หลายๆ สำนักก็หาทางแก้ปัญหาดังกล่าว ไม่ว่าจะเปลี่ยนองค์ประกอบของโลหะที่จับตัวกับลิเธียมเพื่อใช้ในการทำขั้วบวก ขั้วลบ ซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่แรงขึ้น ใช้ได้นานขึ้น หรือการที่ไม่ต้องมีขั้วบวก (anode free) เลย จะได้ไม่เกิดการสะสมของ dendrite จนถึงการเปลี่ยนของเหลวที่คั่นระหว่างขั้วบวกขั้วลบ (electrolyte) ให้เป็นของแข็ง (solid state) ก็จะทำให้ dendrite ไม่สามารถก่อตัวแล้วเชื่อมขั้วบวกขั้วลบจนเกิดการลัดวงจรแล้วทำให้ติดไฟและระเบิดได้ และทำให้สามารถชาร์จได้เป็นหมื่นๆ รอบหรือ ใช้งานจริงถึง 30 ปี โดยไม่มีปัญหาใดๆ และถ้ารถวิ่งปีละ 30,000 ไมล์ ก็น่าจะถึงล้านไมล์ได้ 

จากการที่แบตเตอรี่ในรถยนต์ต้องมีประสิทธิภาพสูง เพื่อความปลอดภัยในการขับ จึงมีกฎง่ายๆ ว่า เมื่อแบตเสื่อมไป 20% หรือคือเหลือ 80% ของความจุตั้งต้นก็จะถูกปลดระวาง อาจจะนำไปใช้งานอื่นแทน เช่น เป็นพลังไฟฟ้าสำรองตามบ้าน และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยปกติจะเสื่อมประสิทธิภาพ (degradation) ประมาณ 2% ต่อปี ซึ่งหมายถึงว่าเมื่อใช้งานไปประมาณ 7-8 ปีก็จะเสื่อมตามอายุขัย นักวิทยาศาสตร์ต้องหาทางตอบโจทย์เช่นเดียวกัน

อย่างไรก็ตาม ในกลางเดือนกันยายนนี้ Elon Musk เจ้าของเทสลาจะมีการจัด Battery Day ซึ่งก็อาจจะไขความลับที่จะทำให้แบตเตอรี่วิ่งได้ล้านไมล์ คอยติดตามกันครับ