โซเดียมไอออนอนาคตเทคโนโลยีแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูง

อนาคตรถไฟฟ้าส่งสัญญาณความชัดเจนมากขึ้นทุกขณะ ผู้ผลิตรถยนต์แทบทุกค่ายต่างทุ่มเม็ดเงินเพื่อลงทุนทั้งในส่วนของกระบวนการผลิต การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ ซึ่งแน่นอนว่า ‘แบตเตอรี่’ คือ หนึ่งในเทคโนโลยีที่ยังคงต้องได้รับการคิดค้น พัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อประสิทธิภาพสูงสุด เนื่องจากแบตเตอรี่ถือเป็นหัวใจสำคัญของการขับเคลื่อนรถไฟฟ้า

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีของแบตเตอรี่ในปัจจุบันยังคงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง แม้ว่ามาตรฐานด้านความสามารถในการอัดประจุของแบตเตอรี่ จะขึ้นอยู่กับระบบการกักเก็บพลังงาน ซึ่งประกอบด้วยลิเธียมไอออน ที่มีสถานะเป็นทั้งบวกและลบ เนื่องจากประจุอะตอมมีการเคลื่อนที่จากอิเล็กตรอนบวกไปยังอิเล็กตรอนลบ ซึ่งเป็นการประจุแบตเตอรี่

ทั้งนี้ นักวิทยาศาสตร์และผู้เชี่ยวชาญด้านเคมีได้แนะนำว่าองค์ประกอบใหม่ของแบตเตอรี่ในอนาคตที่ควรนำมาใช้ทดแทนลิเธียมคือ ‘โซเดียม’ ซึ่งเรี่ยกว่า ‘โซเดียมไอออน (sodium-ion)’ เบื้องต้นได้มีการนำแบตเตอรี่แบบโซเดียมไอออนไปใช้งานจริงแล้ว แม้จะเป็นเพียงรถจักรยานไฟฟ้า หรือ ‘e-Bike’ ที่ได้รับการออกแบบและผลิตเพื่อใช้งานจริงในประเทศอังกฤษ เมื่อปี ค.ศ. 2015 แล้วก็ตาม

ประเด็นความน่าสนใจของเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียมไอออนคือ โซเดียมไอออนนั้นสามารถสร้างขึ้นได้จากเกลือที่ใช้ในการปรุงอาหาร ซึ่งโซเดียมไอออนนั้นนอกจากจะเอื้อให้การผลิตแบตเตอรี่มีความสะดวกมากขึ้นแล้ว ยังมีความได้เปรี่ยบด้านต้นทุนการผลิตอีกด้วย เนื่องจากต้นทุนการผลิตโซเดียมไอออนนั้นต่ำกว่าการผลิตลิเธียมไอออน อีกทั้ง แบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังมีความปลอดภัยสูงกว่า เมื่อพิจารณาตามหลักการทางเคมี

ล่าสุด นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์ยังคงให้ความสนใจกับการพัฒนา ‘โซเดียมไอออน’ อย่างต่อเนื่อง โดยพบว่าทีมค้นคว้าในประเทศฝรั่งเศสได้ก้าวสู่การพัฒนาแบตเตอรี่แบบ Rechargeable ที่ต้นทุนต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งนับเป็นครั้งแรกที่มีการพัฒนาแบตเตอรี่ ‘โซเดียมไอออน’ ด้วยการใช้เกลือหรือ Sodium ในรูปแบบที่เรี่ยกว่า ‘แบตเตอรี่ 18650’ ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหลาย ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่โน้ตบุ๊ก ไฟฉาย LED หรือแม้กระทั่งรถยนต์ไฟฟ้า อย่าง Tesla Model S ฯลฯ โดยคาดว่าในอนาคตแบตเตอรี่โซเดียมไอออนนี้ จะได้รับการพัฒนามากขึ้น สามารถนำไปใช้กับอุปกรณ์ต่างๆ ในรูปแบบที่หลากหลายมากขึ้น

อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีการพัฒนาแบตเตอรี่ ‘โซเดียมไอออน’ ยังคงได้รับความสนใจในแง่ของวัตถุดิบที่นำมาใช้เป็นองค์ประกอบในการผลิตเป็นแบตเตอรี่ ซึ่งจะเห็นได้ว่า เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมนักวิทยาศาสตร์ประจำมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์โตเกียว (Tokyo University of Science: TUS) ประเทศญี่ปุ่น ได้พัฒนาแบตเตอรี่ที่ใช้ ‘น้ำตาล’ เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า โดยทีมนักวิทยาศาสตร์ได้ยืนยันว่าสามารถใช้คาร์บอนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของน้ำตาลเป็นแหล่งพลังงานในแบตเตอรี่ เพื่อทดแทนที่การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซึ่งเป็นทรัพยากรที่มีอยู่อย่างจำกัด อีกทั้ง กระบวนการได้มาซึ่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นก็ไม่ได้มีความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากนัก ดังนั้น นักวิจัยจึงได้พยายามแก้ปัญหาดังกล่าวโดยหันมาใช้แบตเตอรี่แบบโซเดียมไอออนที่เป็นวัสดุจ่ายกระแสไฟแบบใหม่ โดยทีมนักวิจัยสามารถใช้น้ำตาลเป็นวัตถุดิบผลิตแบตเตอรี่โซเดียมไอออน และเริ่มประสบความสำเร็จบางอย่างในการทดลองไปบ้างแล้ว

สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ที่ใช้ ‘น้ำตาล’ เป็นแหล่งพลังงานนั้น นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์โตเกียวได้ระบุว่าสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้ด้วยการใช้คาร์บอนที่ได้จากน้ำตาล ซึ่งมีประสิทธิภาพในการเก็บไฟฟ้าได้ดีกว่าแบตเตอรี่แบบลิเธียมไอออนมากถึง 20% พร้อมกันนี้ ยังได้เผยว่าแบตเตอรี่แบบโซเดียมไอออนที่ผลิตได้จากน้ำตาลยังคงอยู่ในช่วงการพัฒนาเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นอีกด้วย

นอกจากนี้ การค้นคว้าวิจัยของนักวิทยาศาสตร์ในโตเกียวยังได้ บริหารจัดการให้ตัวโซเดียมแบตเตอรี่มีการคายประจุออกมาและสามารถชาร์จได้ความสามารถใกล้เคียงกับลิเธียมแบตเตอรี่แบบเดิมโดยทำการทดลองบีบอัดส่วนผสม 3 อย่าง ได้แก่ ออกไซด์ของเหล็กแมงกานีส และโซเดียม เข้าไปในกระสุนขนาดเล็ก อบในอุณหภูมิสูงประมาณ 12 ชั่วโมง ซึ่งทำให้ค้นพบประจุแบบใหม่ ซึ่งเมื่อวิเคราะห์แล้วพบว่า สารดังกล่าวมีคุณสมบัติเป็นขั้วบวกในแบตเตอรี่ แต่สามารถนำไปชาร์จซ้ำเพื่อใช้ใหม่ได้ไม่เกิน 30 ครั้ง จึงยังคงเป็นข้อจำกัด เมื่อเทียบกับค่าใช้จ่ายที่เกิดขึ้น

อย่างไรก็ตาม การทดลองดังกล่าวมีประเด็นความน่าสนใจ เพราะวัสดุที่ใช้เป็นองค์ประกอบของธาตุเหล็ก ซึ่งเหล็กสามารถหาได้ทั่วไปและมีราคาถูก

ไม่เพียงเท่านี้แนวคิดการพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมไอออนยังคงได้รับการพัฒนาในวัสดุต่างชนิดกัน ซึ่งนอกเหนือจาก ‘เกลือ’ และ ‘น้ำตาล’ เมื่อพบว่ามีงานวิจัยที่เพิ่งเผยแพร่เมื่อปีที่ผ่านมา ซึ่งเป็นความร่วมมือระหว่าง University of Maryland ในประเทศสหรัฐอเมริกา และ National Center for Nanoscience and Technology ประเทศจีน เกี่ยวกับการนำใบโอ๊คมาเป็นส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

ผลงานวิจัยดังกล่าวเกิดขึ้นจากการที่ทีมนักวิจัยได้คิดค้นเทคนิคการใช้เถ้าของใบโอ๊คที่ผ่านความร้อนสูงร่วมกับสารละลายโซเดียม เพื่อนำมาพัฒนาเป็นแบตเตอรี่ โดยอาศัยหลักวิชาการเรื่องโครงสร้างพื้นฐานของแบตเตอรี่ที่มีขั้วไฟฟ้าบวกและลบ ซึ่งแต่ละขั้วจะถูกแช่อยู่ในสารละลายอิเล็กโตรไลต์ โดยมีวัสดุกั้นกลางระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสองเพื่อป้องกันมิให้ประจุลบจากขั้วลบไหลลัดวงจรไปหาขั้วบวกได้โดยตรง ดังนั้น เมื่อมีการต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองผ่านโหลดไฟฟ้า ประจุลบจากขั้วลบจะไหลผ่านโหลดไฟฟ้านั้นไปยังขั้วบวกทำให้มันสามารถทำงานได้

อย่างไรก็ตาม เมื่อประจุไหลผ่านไปจนกระทั่งศักย์ไฟฟ้าของขั้วทั้งสองแทบไม่ต่างกัน นั่นหมายความว่า เมื่อแบตเตอรี่ที่ไฟหมด หากเป็นแบตเตอรี่ประเภทที่สามารถชาร์จไฟใหม่ได้ ก็จะใช้พลังงานไฟฟ้าขับประจุลบจากขั้วบวกให้ย้อนผ่านวัสดุกั้นกลางไปยังขั้วลบดังเดิมนั่นเอง

แนวคิดดังกล่าว จึงเป็นการตอกย้ำถึงเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ยังคงมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ ซึ่งความหลากหลายของวัสดุที่เลือกใช้ ถือเป็นอนาคตของการมีแบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงในอนาคต เพื่อรองรับความต้องการใช้ในหลากหลายรูปแบบ

สำหรับการทำวิจัยที่นำใบโอ๊คมาเป็นส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนนั้น มีกกรรมวิธีโดยสังเขป คือ นำโบโอ๊คไปผ่านความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 1,000 องศาเซลเซียา ซากเผาไหม้ที่ได้ คือ องค์ประกอบคาร์บอนที่กลุ่มจัดตัวกันตามสภาพเซลล์ของใบไม้จากนั้นทีมวิจัยทำการเมสารละลายโซเดียมลงที่ด้านท้องใบ ทำให้ใบโอ๊คมีสภาพเป็นขั่วแอโนด หรือมีสภาพเป็นขั่วลบของแบตเตอรี่สามารถกักเก็ยประจุลบได้ 360 mAh ต่อน้ำหนัก 1 กรัมของเถ้าใบโอ๊ค

แม้ว่าขนาดความจุประจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่จากใบโอ๊คในงานวิจัยนี้จะยังไม่มากพอสำหรับใช้งานจริงก็ตาม แต่สิ่งสำคัญ คือ การเกิดขึ้นของแนวทางการพัฒนาที่เป็นทางเลือกใหม่สำหรับการสร้างแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ซึ่งเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบลิเทียมไอออนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบันแล้ว แบตเตอรี่โซเดียมไอออนสามารถกักเก็บประจุได้มากกว่า แต่ประสบปัญหาสำคัญเครื่องเซลล์ไฟฟ้าเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วหลังการใช้งานไม่นาน ซึ่งเป็นปัญหาสำคัญที่ยังต้องศึกษาค้นคว้า วิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ให้สามารถใช้งานจริงได้ ภายใต้เงื่อนไขของต้นทุนการผลิตต่ำ และสามารถหาวัสดุเป็นวัตถุดบได้อย่างยั่งยืน

อาจกล่าวได้ว่า เทคโนโลยีการพัฒนาแบตเตอรี่โซเดียมไอออนจะเป็นเป็นอนาคตของแบตเตอรี่คุณภาพสูง ที่จะตอบโจทย์ความต้องการใช้ในวันข้างหน้าได้ดี โดยเฉพาะเมื่อเทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนานั้นมีเสถียรภาพต่อการใช้งานมากพอ และเท่าทันกับการขับเคลื่อนของกระแสเทคโนโลยีอื่นๆ โดยเฉพาะรถไฟฟ้า หรือแม้กระทั้งอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีการพัฒนาในหลากหลายรูปแบบ และมีการเปลี่ยนแปลงเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว

EXECUTIVE SUMMARY

‘Battery’ is one of technologies that still need constant research and development to achieve highest efficiency since battery is considered as the key to drive electric vehicle. In addition, battery technology has still been developing nowadays which scientists and specialists in chemical field have given some advices that the new element of battery in the future being brought in to replace Lithium is ‘Sodium’ as called ‘Sodium-ion’.

Currently, development of Sodium-ion battery gains huge interest as several countries have been developing it with various materials including ‘salt’, ‘sugar’ or even ‘oak leaf’. In addition, the goal of research and development is to enhance battery performance so that it can store energy for longer time length under the condition of potentiality in commercial production. This means battery must be able to achieve low production cost, capability to find material to sustainably serve battery production, and more importantly, it must be conform to the need of versatile use.

Source:

• https://goo.gl/XPbHyl
• https://goo.gl/ce6lXf
• https://goo.gl/5t3Irp