อนาคตอันใกล้นี้ ‘ลิเธียม ไอออน’ แบตเตอรี่ไม่ระเบิด

พลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานจากลม หรือพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นแหล่งพลังงานไม่คงที่ตลอดเวลา ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาและสภาพอากาศของแต่ละวัน ดังนั้น ความสามารถในการกักเก็บพลังงานที่สร้างขึ้นได้จากพลังงานหมุนเวียน จึงมีความจำเป็น ยิ่งถ้าเราต้องการจะลดการใช้พลังงานเชื้อเพลิงจากฟอสซิลเร็วขึ้นเท่าไร เทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงาน ยิ่งมีความจำเป็นต้องรีบพัฒนาให้ดีขึ้นเท่านั้น

เทคโนโลยีแบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออน ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพในการกักเก็บพลังงานสูงที่สุดเมื่อเทียบต่อน้ำหนักของแบตเตอรี่ ปัจจุบันเราใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Lithium Ion Battery) อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เช่น โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์โน๊ตบุ๊คตลอดจนรถยนต์ไฟฟ้า เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีความจุไฟฟ้าสูง ซึ่งทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงตามไปด้วย

แต่อย่างไรก็ตาม การขยายไปสู่การประยุกต์ใช้งานในระบบขนาดใหญ่ เช่น อุปกรณ์กักเก็บพลังงานไฟฟ้าแบบติดตั้งอยู่กับที่ หรือยานยนต์ไฟฟ้านั้น ต้นทุนการผลิตและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึง ด้วยต้นทุนที่สูงและปัญหาด้านความปลอดภัย อันเนื่องมาจากการใช้อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ซึ่งเป็นพิษและไวไฟ อีกทั้งปฏิกิริยารุนแรงของโลหะลิเธียมกับน้ำและออกซิเจน นับเป็นข้อจำกัดสำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเห็นได้จากปัญหาการะเบิดและการลุกติดไฟ ดังเช่นในกรณีสมาร์ทโฟนของบริษัทซัมซุงเมื่อไม่กี่ปีก่อน นอกจากนั้นโลหะลิเธียมยังมีปริมาณการผลิตน้อย แหล่งผลิตมีจำกัดและกระจุกตัวอยู่เพียงบางพื้นที่เท่านั้น เช่น บางพื้นที่ของทวีปอเมริกาใต้และจีน ดังนั้นการผลิตเพื่อประยุกต์ใช้ในระบบขนาดใหญ่จึงยังมีข้อจำกัด

แต่ข้อเสียที่สำคัญคือ แบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถติดไฟได้และระเบิดได้ เนื่องจากมีการใช้อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ชนิดของเหลว (Organic Liquid Electrolyte) เป็นตัวนำพาประจุในแบตเตอรี่ ซึ่งสามารถติดไฟได้ง่าย วิธีการแก้ไขปัญหาที่ผ่านมา คือ เปลี่ยนจากอิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟง่ายไปเป็นแบบของแข็ง (Solid Electrolyte) แต่ก็จะมีปัญหาตามมาคือ ประจุในของแข็งจะเคลื่อนที่ได้ไม่ดีเท่าในของเหลว จึงทำให้แบตเตอรี่มีข้อจำกัดในเรื่องอัตราการอัดและคลายประจุ

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัย UC Louvain ได้ศึกษาค้นพบวัสดุของแข็งที่สามารถนำประจุลิเธียมได้ดี นั่นคือ LiTi2(PS4)3 หรือ LTPS ซึ่งนำประจุได้ดีกว่าวัสดุที่ใช้ในปัจจุบันได้แก่ LiGPS มากกว่า 20 เท่า เนื่องจากโครงสร้างผลึกที่มีความพิเศษเฉพาะ ไม่ยึดเกาะกับอะตอมของลิเธียม ทำให้อะตอมประจุลิเธียมเคลื่อนที่ตลอดเวลาในอิเล็กโทรไลต์ จึงทำให้ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของลิเธียมมีค่าสูงที่สุดที่เคยมีมา นอกจากนี้เนื่องจากมันเป็นของแข็ง เมื่อมีการลัดวงจรไฟฟ้าก็จะไม่ระเบิดและติดไฟ ทั้งยังแก้ปัญหาการลัดวงจรเนื่องจากปรากฏการณ์ Dendrite คืออะตอมลิเธียมเกาะตัวเป็นกิ่งแล้วทำให้เกิดการเชื่อมระหว่างขั้วไฟฟ้าอาโนดและคาโทด จึงเกิดการลัดวงจรไฟฟ้า ซึ่งจะเกิดระเบิดระหว่างทำการอัดประจุแบตเตอรี่

นอกจากวิธีนี้ก็ยังมีการแก้ปัญหาโดยการใช้สารอิเล็กโทรไลต์ที่สามารถแข็งตัว เปลี่ยนจากของเหลวเป็นของแข็งเมื่อมีแรงมากระทำ เรียกว่า Shear Thickening Electrolyte โดยใช้อนุภาคซิลิกา ผสมเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์แบบเหลว เมื่อมีแรงมากระทำ เช่น แรงที่เกิดจากการกระแทกหรือชนกันของรถยนต์ก็จะทำให้อนุภาคซิลิกาเกาะตัวเป็นเจลแข็ง ช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการลัดวงจรไฟฟ้า จึงไม่เกิดการระเบิดและติดไฟ ยังมีอีกหลายวิธีที่จะทำให้ แบตเตอรี่ลิเธียมไออน ปลอดภัย ...มาติดตามกันต่อครับ

*ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ นักวิจัยประจำศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ สวทช., สมาคมวิจัยวัสดุประเทศไทย