ท่ามกลางการเปลี่ยนผ่านของ อุตสาหกรรมการผลิต ไทยที่กำลังมุ่งสู่การเป็นศูนย์กลางการผลิตยานยนต์ไฟฟ้า หรือ EV ของภูมิภาค ความท้าทายสำคัญที่ผู้ประกอบการและวิศวกรไทยต้องเผชิญไม่ใช่เพียงแค่การเพิ่มกำลังการผลิต แต่คือการจัดการ ‘อายุการใช้งานของแบตเตอรี่’ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ล่าสุดทีมนักวิจัยจาก University Of Cambridge ได้ค้นพบวิธีการที่เรียบง่ายแต่ทรงพลัง โดยการใช้ ‘แรงกดดันทางกายภาพ’ ในระดับที่เหมาะสมเพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ Lithium-Ion ได้ถึง 2 เท่า โดยไม่ต้องเปลี่ยนส่วนผสมทางเคมี นวัตกรรมนี้ไม่เพียงช่วยลดต้นทุนและเพิ่มมูลค่าในตลาดรถยนต์มือสอง แต่ยังลดความต้องการทำเหมืองแร่ดิบ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการขับเคลื่อนเป้าหมายความยั่งยืนและตอบโจทย์เศรษฐกิจหมุนเวียนในไทยได้อย่างเป็นรูปธรรม
ความท้าทายด้านวงจรชีวิตแบตเตอรี่และรอยเท้าทางนิเวศที่อุตสาหกรรมไทยต้องเผชิญ
อุตสาหกรรมการผลิต ยานยนต์ในประเทศไทยกำลังเร่งปรับตัวเข้าสู่ยุคของ EV อย่างรวดเร็ว ทว่า ‘จุดอ่อน’ สำคัญที่ฉุดรั้งความคุ้มค่าและความยั่งยืนคือความเสื่อมสภาพของระบบจัดเก็บพลังงาน เมื่อพิจารณาถึงกลไกพื้นฐาน แบตเตอรี่ Lithium-Ion จะประกอบด้วยส่วนสำคัญหลักๆ คือ Anode, Cathode และ Electrolyte ในทุกๆ รอบของการชาร์จและคลายประจุ กระบวนการส่งไอออนข้ามไปมาส่งผลให้โครงสร้างภายในเกิดการขยายตัวและหดตัวทางกายภาพคล้ายกับการ ‘หายใจ’ ซึ่งความเครียดทางกลศาสตร์นี้ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพลงอย่างรวดเร็ว
ที่ผ่านมา การปรับปรุงสูตรทางเคมีมักช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้เพียง 5% ถึง 10% เท่านั้น ซึ่งไม่เพียงพอต่อการเปลี่ยนผ่านสู่ความยั่งยืน อีกทั้งการรีไซเคิลแบตเตอรี่ในปัจจุบันยังมีต้นทุนสูงและมีความซับซ้อนมาก ดังที่ ศาสตราจารย์ Michael De Volder จากภาควิชาวิศวกรรมศาสตร์ของ University Of Cambridge ได้ระบุว่า “ยิ่งผลิตภัณฑ์ของคุณมีอายุการใช้งานยาวนานเท่าใด จำนวนครั้งที่คุณจะต้องรีไซเคิลวัสดุก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น และในขณะนี้พวกเรายังจัดการกับการรีไซเคิลแบตเตอรี่ได้แย่มาก” นอกจากนี้ การผลิตแบตเตอรี่ก้อนใหม่ยังสร้างรอยเท้าทางนิเวศวิทยาผ่านการทำเหมืองแร่นิกเกิลและโคบอลต์ในต่างประเทศ ซึ่งมักส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง
ทางออกทางวิศวกรรมด้วยกลไกแรงกดคงที่ในจุด ‘Goldilocks’
แทนที่จะมุ่งพัฒนาสารเคมีชนิดใหม่ ทีมนักวิจัยได้เปลี่ยนมุมมองมาใช้หลักการวิศวกรรมเครื่องกล โดยสร้างอุปกรณ์ทดสอบพิเศษเพื่อบีบอัดแบตเตอรี่ชนิด Pouch Cell ด้วยระบบนิวเมติกส์ผ่านเบาะลมขนาดเล็กที่สามารถปรับแรงดันตัวเองได้ เพื่อรักษาแรงกดให้คงที่อย่างต่อเนื่องในขณะที่แบตเตอรี่ขยายและหดตัว ผลลัพธ์ที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Energy พบว่าการรักษาแรงกดทางกายภาพที่เหมาะสมสามารถยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ทั่วไปในท้องตลาดได้ถึง 2 เท่า
โดยเงื่อนไขสำคัญคือแรงกดต้องอยู่ในโซน ‘Goldilocks’ ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 12.5 Bar หรือคิดเป็น 4 เท่าของแรงกดในแบตเตอรี่เม็ดกระดุมทั่วไป หากแรงกดมากหรือน้อยเกินไป แบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพทันที ศาสตราจารย์ Michael De Volder อธิบายกลไกนี้ว่า “หากคุณกดแรงเกินไป Anode จะไม่ทำงานอย่างที่ควรจะเป็น เนื่องจากอาจเกิดการสะสมของคราบลิเธียม หรือ Lithium Plating แต่ถ้าคุณไม่กดให้แน่นพอ Cathode ก็จะเริ่มแตกร้าว การทดลองของเราได้ระบุถึงพื้นที่แห่งความสุข หรือ Happy Place สำหรับแบตเตอรี่เมื่อพูดถึงแรงกดดัน” ปัจจุบันนวัตกรรมนี้อยู่ระหว่างการยื่นจดสิทธิบัตรโดย Cambridge Enterprise เพื่อเตรียมขยายสเกลสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ต่อไป
การควบคุมแรงกลทางกายภาพ อนาคตที่น่าจับตาของ EV ไทย
การค้นพบว่าแรงกดคงที่ในระดับ 12.5 Bar สามารถเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ EV ได้ถึง 2 เท่า ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญที่ อุตสาหกรรมการผลิต ของไทยสามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการออกแบบโครงสร้าง Battery Pack เพื่อสร้างข้อได้เปรียบทางการแข่งขัน หรือ Competitive Advantage ในตลาดระดับภูมิภาค การยืดอายุการใช้งานนี้ไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มความคุ้มค่าและสร้างความเชื่อมั่นในตลาดรถยนต์ไฟฟ้ามือสองของไทย แต่ยังส่งผลดีต่อเป้าหมายการพัฒนาที่ยั่งยืน หรือ SDGs โดยเฉพาะเป้าหมายที่ 12 ด้านการผลิตและการบริโภคที่รับผิดชอบ ผ่านการชะลอการเกิดขยะอิเล็กทรอนิกส์ปริมาณมหาศาล สอดรับกับแนวคิด Circular Economy ที่เน้นการใช้ทรัพยากรให้คุ้มค่าสูงสุด และลดความเสี่ยงจากการทำเหมืองแร่ที่ทำลายระบบนิเวศในประเทศต้นทาง ดังที่ศาสตราจารย์ Michael De Volder ได้กล่าวทิ้งท้ายว่า
“เราได้สร้างสรรค์ทางออกสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าที่สะอาดขึ้น แต่เราต้องแน่ใจด้วยว่าเบื้องหลังความสำเร็จนี้ เราไม่ได้กำลังสร้างหายนะทางนิเวศวิทยาแห่งใหม่ในส่วนอื่นๆ ของโลก” การนำหลักการวิศวกรรมเครื่องกลที่เรียบง่ายนี้ไปบูรณาการในสายการผลิต จึงเป็นแนวทางที่คุ้มค่าและยั่งยืนที่สุดในการยกระดับขีดความสามารถของอุตสาหกรรมไทยสู่เวทีโลก
