แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนจาก “แกลบ – ขยะโซลาร์เซลล์” ปฏิวัติวงการพลังงาน

กระแสการใช้ยานยนต์ไฟฟ้าที่กำลังได้รับความนิยมไปทั่วโลก หนุนให้ความต้องการการใช้แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนเพิ่มขึ้นเกือบร้อยละ 80 และการที่หลายประเทศออกนโยบายด้านสิ่งแวดล้อม ได้สร้างแรงกระเพื่อมให้วงการอุตสาหกรรมแบตเตอรี่มีการปรับตัวตาม

เห็นได้ชัดจากการที่ประเทศมหาอำนาจด้านยานยนต์และชิ้นส่วนต่างแข่งขันกันผลิตเพื่อใช้ในประเทศและส่งออก พร้อมนำเสนอคุณสมบัติความล้ำในการใช้งาน

ขณะที่รายงานของ Wood Mackenzie บริษัทที่ปรึกษาด้านพลังงานและอื่น ๆ คาดการณ์ว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนทั่วโลกจะมีกำลังการผลิตอยู่ที่ 5,500 gigawatt-hour (GWh) ในปี 2030 ซึ่งเพิ่มขึ้นจากปี 2021 มากถึง 5 เท่า และมีโรงงานผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมากกว่า 300 แห่งทั่วโลก

สำหรับประเทศไทย มีสตาร์ทอัพและธุรกิจที่หันมาผลิตแบตเตอรี่เพื่อใช้ในยานยนต์ไฟฟ้าเพิ่มอย่างต่อเนื่อง รวมทั้งมีการคิดค้นแนวทางการผลิตใหม่ ๆ ซึ่งหนึ่งในกระบวนการที่น่าสนใจคือ การนำของเหลือใช้ที่มีจำนวนมหาศาลในไทยอย่าง “แกลบและขยะโซลาร์เซลล์” มาใช้เป็นวัสดุสำหรับผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

ช่วยสร้างมูลค่าให้วัสดุของไทยในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ แถมยังสร้างสิ่งแวดล้อมที่ดีให้กับโลก โดยได้รับรางวัลชนะเลิศ ด้านสังคมและสิ่งแวดล้อม ประเภทหน่วยงานภาครัฐ จากรางวัลนวัตกรรมแห่งชาติ ประจำปี 2566 จากสํานักงานนวัตกรรมแห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NIA

จุดเริ่มต้นไอเดียแปลง แกลบ – ขยะโซลาร์เซลล์ สู่แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

ผลงานแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนจากแกลบ – ขยะโซลาร์เซลล์ ที่โรงงานแบตเตอรี่และพลังงานยุคใหม่ มหาวิทยาลัยขอนแก่น คิดค้นและพัฒนาขึ้น ได้รับแรงสนับสนุนมาจากความต้องการที่จะเปลี่ยนของเหลือใช้อย่างแกลบ และขยะโซลาร์เซลล์ให้เป็นวัสดุขั้วไฟฟ้าที่มีชื่อว่า “นาโนซิลิกอน” เพื่อใช้ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

ประเทศไทยมีแกลบเป็นของเหลือทิ้งทางการเกษตรปริมาณมหาศาล แต่ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมมูลค่าไม่สูงมากและมูลค่าเหล่านั้นไม่ได้กลับไปสู่เกษตรกรหรือผู้ผลิตโดยตรง รวมถึงมีขยะโซล่าร์เซลล์ที่หมดอายุการใช้งานราว 4,000 ตัน ในปี 2565 และคาดการณ์ว่าอีก 20 ปีข้างหน้าขยะโซลาร์เซลล์จะมีปริมาณเพิ่มขึ้นถึงหลักล้านตัน มารีไซเคิลเป็นขั้วไฟฟ้าในแบตเตอรี่จากส่วนประกอบสำคัญอย่าง “ซิลิกอน”

เนื่องจากประเทศไทยไม่มีกระบวนการนำโซลาร์เซลล์ที่พังมารีไซเคิลเป็นแผงโซลาร์เซลล์ใหม่ หรือผลิตเป็นอย่างอื่น เพราะมองว่าต้นทุนสูง ไม่คุ้มที่จะลงทุน ที่ผ่านมาจึงกำจัดด้วยการทิ้งในหลุมฝังกลบเกือบร้อยเปอร์เซ็นต์ เมื่อฝนตก น้ำท่วม สารเคมีที่อยู่ในนั้นก็อาจจะส่งผลต่อสิ่งแวดล้อมได้ อุตสาหกรรมการรีไซเคิลโซลาร์เซลล์ จึงไม่ใช่เศรษฐกิจหมุนเวียนที่ยั่งยืนของประเทศ

เนรมิต “แกลบ – ขยะโซลาร์เซลล์” สู่แหล่งพลังงานแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนด้วยนวัตกรรม 

แบตเตอรี่จะจุได้เยอะ วิ่งได้ไกล ชาร์จไฟได้มากแค่ไหน? ขึ้นอยู่กับหัวใจหลักสำคัญอย่างวัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้า มหาวิทยาลัยขอนแก่นในฐานะผู้เชี่ยวชาญด้านวิจัยและพัฒนาวัสดุที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่จึงได้จัดตั้งโรงงานแบตเตอรี่และพลังงานยุคใหม่ เพื่อทำหน้าที่ผลิตและจำหน่ายแบตเตอรี่ให้กับประเทศ

ดังนั้น เมื่อมีการทำวิจัยเกี่ยวกับวัสดุที่จะนำมาใช้ผลิตเป็นแบตเตอรี่ “รศ.นงลักษณ์ มีทอง อาจารย์สาขาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ ในฐานะผู้อำนวยการโรงงานแบตเตอรี่และพลังงานยุคใหม่ มหาวิทยาลัยขอนแก่น” จึงคำนึงถึงประโยชน์ที่คนในประเทศจะได้รับจากการที่ประเทศไทยมีทรัพยากรที่สามารถนำมาผลิตเป็นแบตเตอรี่ เพื่อสร้างประโยชน์ให้กับประเทศมากกว่าที่จะเป็นเพียงแค่การซื้อมาขายไปเหมือนเช่นในอดีตที่ผ่านมา

รศ.นงลักษณ์ อธิบายว่า แบตเตอรี่มีส่วนประกอบสำคัญและมีมูลค่าสูงอยู่ 2 ส่วน คือ ขั้วไฟฟ้าฝั่งขั้วบวก หรือ แคโทด (Cathode) ซึ่งมีองค์ประกอบเป็นสารประเภทลิเทียม ขั้วไฟฟ้าฝั่งขั้วลบ หรือ แอโนด (Anode) มีองค์ประกอบเป็นสารประเภทกราไฟท์และซิลิกอน

ปัจจุบันผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่ของประเทศไทยยังนำเข้าวัสดุเคมีภัณฑ์ทั้งขั้วบวกและขั้วลบจากต่างประเทศร้อยเปอร์เซ็นต์ เพราะไทยไม่มีเหมืองแร่อย่างเช่นประเทศออสเตรเลียและอเมริกาใต้

ขั้นตอนกว่าจะได้วัสดุเคมีภัณฑ์ประเภทซิลิกอนมานั้น ต้องดูดทรายจากทะเลมาเผาด้วยอุณหภูมิ 2,000 กว่าองศาเซลเซียส หรือขุดภูเขาหาแร่ควอตซ์ การทำเหมืองจึงจัดเป็นอุตสาหกรรมที่ใช้พลังงานสูง หากประเทศไทยมีวัสดุที่จะช่วยให้การผลิตแบตเตอรี่เกิดขึ้นได้โดยไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม แถมยังช่วยลดการเกิดขยะให้กับโลก ก็ถือเป็นตัวเลือกที่ควรได้รับการพัฒนา

ถ้าถามว่าประเทศไทยสามารถหาซิลิกอนจากแหล่งใดได้บ้าง จะเห็นว่าไทยเป็นเมืองเกษตรกรรม และมีการใช้โซลาร์เซลล์ในหลายพื้นที่ ซึ่งโซลาร์เซลล์ 1 แผงจะมีซิลิกอนประมาณ 1 กิโลกรัม ส่วนแกลบก็เป็นพืชที่มีส่วนผสมของซิลิกอนสูงที่สุดในบรรดาพืชทั้งหมดที่เรามี

ดังนั้น เทคโนโลยีและนวัตกรรมที่มหาวิทยาลัยขอนแก่นพัฒนาขึ้น จะเป็นการสกัดวัสดุที่ชื่อว่า “นาโนซิลิกอน” จากแกลบและแผงโซลาร์เซลล์ เพื่อใช้ผลิตเป็นขั้วลบในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ซึ่งการเอาแกลบมาทำเป็นนาโนซิลิกอนจะใช้อุณหภูมิในการเผาต่ำกว่า 600 – 700 องศาเซลเซียส ถือว่าน้อยกว่าการใช้พลังงานในอุตสาหกรรมการผลิตแร่รูปแบบเหมืองหลายเท่าตัว

เพราะการทำเหมืองมันคือการขุด เผา ล้าง และทำลาย จึงส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมสูง ต่างจากนาโนซิลิกอนที่ได้จากแกลบและขยะโซลาร์เซลล์ ซึ่งนอกจากจะมีประสิทธิภาพมากกว่าวัสดุนาโนซิลิกอนรูปแบบเดิมแล้วยังช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม อีกทั้งมีกระบวนการสังเคราะห์ที่ง่ายกว่า คนผลิตได้รับความเสี่ยงจากอันตรายที่ต่ำกว่า จึงช่วยลดต้นทุนการผลิตให้กับประเทศไปได้หลายเท่า

ส่องต้นแบบผลิตภัณฑ์ใช้นาโนซิลิกอนจากแกลบ – ขยะโซลาร์เซลล์” สู่พลังงานในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน

สำหรับ “นาโนซิลิกอน” จากแกลบและแผงโซลาร์เซลล์ ที่มหาวิทยาลัยขอนแก่นพัฒนาขึ้น ปัจจุบันถูกใช้เป็นวัสดุขั้วลบในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่สามารถรองรับการทำงานได้หลากหลาย ทั้งกลุ่มอุปกรณ์พกพา (Portable) กลุ่มการเดินทางและขนส่ง (Mobility) และกลุ่มกักเก็บพลังงาน (Energy Storage)

แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่มีซิลิกอนเข้าไปเป็นส่วนประกอบหลักในการผลิตจะมีจุดเด่นตรงที่น้ำหนักเบา เก็บพลังงานความจุไฟฟ้าได้เพิ่มขึ้นอย่างน้อยร้อยละ 15 ทำให้ยานยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ชนิดนี้ มีระยะการขับเคลื่อนได้ไกลกว่าเดิม ลดโอกาสการระเบิด ปลอดภัยกว่าวัสดุที่ใช้ในท้องตลาดทั่วไป และรองรับการชาร์จเร็วกว่าเดิม 4 เท่า 

ผลิตภัณฑ์ที่ทางโรงงานแบตเตอรี่และพลังงานยุคใหม่ มหาวิทยาลัยขอนแก่น ผลิตและจำหน่ายในปัจจุบันจะมีทั้งแบตเตอรี่แพ็กสำหรับมอเตอร์ไซค์ไฟฟ้า รถกอล์ฟไฟฟ้า และระบบกักเก็บพลังงานสำหรับโซลาร์เซลล์ ซึ่งสถาบันมีโครงการสนับสนุนให้นักศึกษาและบุคลากรใช้มอเตอร์ไซค์ไฟฟ้าที่นำแบตเตอรี่ที่มหาวิทยาลัยผลิตขึ้นมาวิ่งใช้งานในบริเวณมหาวิทยาลัย

นอกจากนี้ ยังมีกลุ่มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ ที่นิยมใช้นาโนซิลิกอนเป็นส่วนประกอบ เช่น พาวเวอร์แบงค์ สิ่งที่เราขับเคลื่อนเป็นเทคโนโลยีที่อยู่ในห่วงโซ่มูลค่าของการผลิตวัสดุแบตเตอรี่ โดยการประยุกต์เอาวัสดุนาโนซิลิกอนไปใช้งานในอุปกรณ์และแบตเตอรี่ที่มีอยู่ตามท้องตลาดให้เกิดมูลค่ามากขึ้น

ยกระดับวงการอุตฯ แบตเตอรี่ไทย สร้าง “แกลบ – ขยะโซลาร์เซลล์” สู่วัสดุมูลค่าสูงในห่วงโซ่คุณค่าโลก 

รศ. ดร.นงลักษณ์ มองว่า อุตสาหกรรมการผลิตวัสดุสำหรับแบตเตอรี่เป็นห่วงโซ่อุปทานโลก (Global Supply Chain) กลุ่มเป้าหมายของไทยจึงไม่ใช่แค่ผู้ผลิตแบตเตอรี่ในประเทศเท่านั้น การทำให้นักลงทุนต่างชาติที่ต้องการมาลงทุนด้านการผลิตวัสดุภายในประเทศไทยมองเห็นถึงโอกาสในการขยายตลาดให้ใหญ่ขึ้นจึงเป็นสิ่งที่ท้าทาย

เพราะโอกาสของประเทศไทย คือจะทำอย่างไรให้วัสดุนาโนซิลิกอนที่เกิดจากทรัพยากรของไทยอย่างแกลบและขยะโซลาร์เซลล์ สามารถเข้าไปอยู่ในห่วงโซ่คุณค่าอุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ระดับโลกได้

ดังนั้น การสร้างความเชื่อมั่นในเทคโนโลยีและวัสดุที่ไทยสร้างขึ้น เป็นสิ่งที่มหาวิทยาลัยขอนแก่นพยายามสร้างและขับเคลื่อน เพื่อให้ภาคอุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่ทั้งในประเทศไทยและระดับโลก เห็นว่า ไทยสามารถนำของที่มีมูลค่าต่ำอย่างแกลบและขยะโซลาร์เซลล์มาทำให้มีมูลค่าสูงขึ้นได้ และยังสร้างประโยชน์และสร้างรายได้เพิ่มให้กับคนในประเทศจากการเป็นผู้ผลิตวัตถุดิบให้กับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่

“ห่วงโซ่คุณค่าของการผลิตแบตเตอรี่ ต้นน้ำคือคนทำเหมือง กลางน้ำคือคนทำวัสดุที่เกี่ยวข้อง สร้างขั้วบวก ขั้วลบ และปลายน้ำคือคนทำผลิตภัณฑ์ที่ใช้แบตเตอรี่ ซึ่งคนที่อยู่ส่วนกลางน้ำเป็นจุดที่มีค่าแตกต่างระหว่างราคาทุนกับราคาขาย (Margin) ต่ำมาก

ดังนั้น หากเราสามารถทำให้อุตสาหกรรมหรือภาคการผลิตภายในประเทศเห็นภาพว่าเราไม่จำเป็นต้องอยู่ในทุกขั้นของห่วงโซ่อุปทาน แต่เราเลือกจะอยู่ในขั้นที่มีจุดเด่น หรือเรามีวัสดุที่จะทำให้อยู่ในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ได้ก็อาจเพียงพอแล้ว

แม้การสร้างมูลค่าจากห่วงโซ่คุณค่าในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าจะมีมากก็จริง แต่ประโยชน์จะอยู่ในวงจรปิด ประโยชน์ถึงท้องถิ่นและประชาชนน้อยมาก

ปัจจุบันประชาชนและองค์กรให้ความสำคัญเรื่อง ESG และ sustainability หากเราสามารถเป็นแหล่งขยายเทคโนโลยีเรื่องการรีไซเคิลวัสดุประเภทแกลบและแผงโซลาร์เซลล์ให้ไปอยู่ในวัสดุที่มีมูลค่าสูงในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฟฟ้าและแบตเตอรี่ได้จะช่วยสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจให้กับประเทศได้อย่างยั่งยืน สิ่งที่เราวางไว้จะเกิดขึ้นได้หากทุกภาคส่วนมองเห็นภาพตรงกันและช่วยกับผลักดัน”

นายยุทธนากร คณะพันธ์ นักศึกษาปริญญาเอก สาขาวิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น หนึ่งในทีมผู้ร่วมวิจัย อธิบายเพิ่มเติมว่า เทคโนโลยีที่สร้างขึ้นนี้ จะเปลี่ยนบริบทให้คนรับซื้อของเก่าในห่วงโซ่มูลค่าของการรีไซเคิลขยะโซลาร์เซลล์และชาวนาเป็นผู้จัดหาวัสดุ คล้ายกับคนทำเหมืองแร่ในต่างประเทศด้วยการสร้างรายได้เพิ่ม

เช่น แผงโซลาร์เซลล์ 1 แผง จะมีน้ำหนักประมาณ 20 กิโลกรัม โดยปกติถ้านำไปรีไซเคิล แยกชิ้นส่วนกรอบอลูมิเนียมและกระจกแผงโซลาร์เซลล์ไปขาย จะมีมูลค่าเพียง 100-200 บาทเท่านั้น

เช่นเดียวกับแกลบที่เมื่อนำไปเผาเป็นไบโอแมสออกมาเป็นขี้เถ้าจะไม่สามารถสร้างมูลค่าได้ แต่หากนำมาสังเคราะห์เป็นนาโนซิลิกอนไปขายให้กับภาคธุรกิจที่ทำแบตเตอรี่จะสามารถเพิ่มมูลค่าให้กับนาโนซิลิกอนได้ประมาณ 1,000 บาทต่อกิโลกรัม อีกทั้งยังช่วยลดผลกระทบต่อชุมชนและสิ่งแวดล้อม ซึ่งนำไปสู่การรีไซเคิลขยะโซลาร์เซลล์ที่เหมาะสม และสามารถใช้พลังงานสะอาดได้อย่างยั่งยืน

เดินหน้าต่อยอดหนุนไทยใช้โซเดียมมาสร้างแบตเตอรี่โซเดียมไอออน 

นอกจากแกลบและขยะโซลาร์เซลล์ ไทยยังมีวัสดุประเภทโซเดียมที่สามารถนำมาสร้างมูลค่าเพิ่มมหาศาลให้กับอุตสาหกรรมผลิตแบตเตอรี่ของประเทศในระยะยาวได้ เพราะหากใช้โซเดียมอยู่แค่ในอุตสาหกรรมทั่วไป หรืออุตสาหกรรมอาหาร อาจจะมีมูลค่าแค่หลักร้อยหรือหลักสิบเท่านั้น

ดังนั้น แบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่มหาวิทยาลัยขอนแก่นนำวัสดุประเภทโซเดียมจากแหล่งแร่เกลือหินมาผลิตเป็นขั้วไฟฟ้าที่เป็นขั้วบวกจะสามารถสร้างมูลค่าได้สูง ส่วนขั้วลบเป็นคาร์บอนแข็ง สารที่เอามาผลิตส่วนใหญ่เป็นไบโอแมสจากกะลามะพร้าว กะลาปาล์ม ถ่านยูคาลิปตัส

การที่ไทยสามารถหาวัสดุมาผลิตแบตเตอรี่ได้เองทั้งขั้วบวกและขั้วลบ นอกจากจะช่วยลดการนำเข้าวัสดุจากต่างประเทศ ยังเป็นความมั่นคงด้านพลังงานของประเทศอีกด้วย 

“รางวัลนวัตกรรมแห่งชาติ” เครื่องหมายการันตีคุณภาพนวัตกรรมไทยสู่เครือข่ายตลาดโลก

การที่งานวิจัย “แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนจากแกลบและขยะโซลาร์เซลล์” ของมหาวิทยาลัยขอนแก่น คว้ารางวัลชนะเลิศ ด้านสังคมและสิ่งแวดล้อม ประเภทหน่วยงานภาครัฐ จากรางวัลนวัตกรรมแห่งชาติ ประจำปี 2566 ซึ่งจัดโดยสำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NIA

รศ. ดร.นงลักษณ์ ต้องขอขอบคุณคณะกรรมการรางวัลนวัตกรรมแห่งชาติที่เข้าใจเป้าหมายของมหาวิทยาลัยขอนแก่นในการพยายามขับเคลื่อนงานวิจัย และถือเป็นใบเบิกทางแห่งโอกาสที่ช่วยให้ผลงานซึ่งทุ่มเทมานานถึง 10 ปี ได้เป็นที่รู้จักในกลุ่มผู้มีส่วนได้ส่วนเสียในห่วงโซ่อุปทานของอุตสาหกรรมผลิตแบตเตอรี่

นอกจากนี้ รางวัลยังเป็นตัวการันตีให้ทีมวิจัยว่าสิ่งที่เรามุ่งมั่นทำไม่ได้ต้องการสร้างแค่องค์ความรู้ แต่เราพยายามสร้างระบบนิเวศด้านการผลิตแบตเตอรี่ให้เกิดขึ้นในประเทศไทย ทำให้คนไทยและนักลงทุนต่างชาติเห็นว่าไทยมีโอกาสที่จะนำวัสดุที่มีอยู่ในประเทศเข้าไปอยู่ในห่วงโซ่อุปทานโลกได้ไม่ต่างกับอีกหลายประเทศในตลาดโลก

 กริชผกา บุญเฟื่อง ผู้อำนวยการสำนักงานนวัตกรรมแห่งชาติ (องค์การมหาชน) หรือ NIA เผยว่า “รางวัลนวัตกรรมแห่งชาติ จัดขึ้นต่อเนื่องเป็นปีที่ 20 เพื่อประกาศเกียรติคุณและเชิดชูเกียรติแก่คนไทยที่ริเริ่มสร้างสรรค์ผลงานอันเป็นนวัตกรรมที่โดดเด่น และเกิดคุณค่าที่ชัดเจนต่อประเทศชาติใน 4 ด้าน ได้แก่

1.เศรษฐกิจ (สร้างคุณค่าเชิงพาณิชย์ และเกิดประโยชน์ต่อเศรษฐกิจของประเทศ)

2.สังคมและสิ่งแวดล้อม (สร้างคุณค่าต่อสังคม ชุมชน และสิ่งแวดล้อม)

3.ผู้สื่อสารนวัตกรรม (ผู้สร้างสรรค์เนื้อหาและวิธีการสื่อสารโดยใช้เทคโนโลยีและรูปแบบการสื่อสารใหม่) และ

4.องค์กรนวัตกรรม (องค์กรที่โดดเด่นด้านการบริหารจัดการนวัตกรรมในองค์กร ตั้งแต่ระดับยุทธศาสตร์ ระดับกระบวนการ ถึงระดับโครงสร้างพื้นฐานขององค์กร)

โดยตั้งเป้าส่งเสริมให้เกิดการตื่นตัวด้านนวัตกรรมขึ้นในทุกภาคส่วนของสังคมไทย สร้างให้เกิดความภาคภูมิใจในศักยภาพนวัตกรรมจากฝีมือคนไทย และสร้างให้เกิดภาพลักษณ์สู่การเป็นประเทศแห่งนวัตกรรม ซึ่งขณะนี้อยู่ระหว่างการเปิดรับสมัครผลงานนวัตกรรม   ตั้งแต่วันนี้ ถึง 15 มิถุนายน 2567”