แบตเตอรี่โซลิดสเตท สู่ยุคสมัยใหม่แห่งยานยนต์ไฟฟ้า

เราทราบกันดีว่าการใช้งาน EV หรือ รถยนต์ไฟฟ้า ในปัจจุบัน ล้วนพึ่งพาการจ่ายพลังงานจากแบตเตอรี่ ถือเป็นหัวใจหลักแห่งเทคโนโลยียานยนต์ไฟฟ้า นำไปสู่ความพยายามพัฒนาเพื่อยกระดับขีดความสามารถของยานยนต์ไฟฟ้า เพื่อนำมาทดแทนรถยนต์สันดาปที่มีการใช้งานกันทั่วไป

 

          แบตเตอรี่ที่มีการใช้งานกับรถยนต์ไฟฟ้าทั่วไปคือ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ถือเป็นเทคโนโลยีหลักที่ได้รับความนิยม ด้วยกำลังการจ่ายไฟเสถียรและคุณสมบัติในการใช้ซ้ำ กระนั้นตัวแบตเตอรี่ก็ยังมีขีดจำกัดในหลายด้านทั้งในด้านความจุ, ความเร็วในการชาร์จ, อายุการใช้งาน, ความปลอดภัย, อุณหภูมิ ฯลฯ ซึ่งจำเป็นต้องได้รับการพัฒนาอีกมาก

 

          การพัฒนาประสิทธิภาพยกระดับขีดความสามารถของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กลายเป็นพันธกิจหลักของบริษัทรถยนต์มากมาย กระนั้นปฏิเสธไม่ได้ว่าแบตเตอรี่ชนิดนี้มีข้อจำกัดที่ยากจะแก้ไขได้ จึงเริ่มมีการมองหาตัวเลือกอื่นขึ้นมาทดแทน

 

          นั่นทำให้แบตเตอรี่ชนิดใหม่อย่าง แบตเตอรี่โซลิดสเตท ที่กำลังได้รับความสนใจจากทั่วโลกในฐานะตัวเลือกทดแทน

 

 

Solid-state battery แบตเตอรี่แห่งอนาคต

 

          แบตเตอรี่โซลิดสเตท ถือเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ได้รับความสนใจมากขึ้นในอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า แตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเดิม ด้วยการเปลี่ยน อิเล็กโทรด และ อิเล็กโทรไลต์ จากในรูปแบบของเหลวหรือเจลมาเป็นวัสดุอย่าง เซรามิก หรือ โพลิเมอร์แข็ง เป็นที่มาของชื่อแบตเตอรี่ที่อาศัยสถานะของแข็งจากชิ้นส่วนภายใน

 

          เดิมแบตเตอรี่โซลิดสเตทเป็นเทคโนโลยีที่มีการใช้งานร่วมกับอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูง เช่น ระบบ RFID, เครื่องกระตุ้นหัวใจ หรืออุปกรณ์อัจฉริยะต่างๆ ด้วยประสิทธิภาพการทำงานสูงกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จึงเริ่มเป็นที่สนใจของอุตสาหกรรมและบริษัทรถยนต์จำนวนมาก

 

          จุดเด่นของแบตเตอรี่โซลิดสเตทมีหลายด้าน ตั้งแต่ความจุสูงสุดในการกักเก็บพลังงานของแบตเตอรี่ที่สูงกว่า จากการเปลี่ยนตัวเก็บประจุจากของเหลวมาเป็นของแข็ง ความหนาแน่นของมวลสารที่มากกว่า ช่วยให้สามารถเก็บกักประจุได้มากขึ้น จึงสามารถกักเก็บพลังงานได้มากขึ้นในขนาดแบตเตอรี่ที่เท่ากัน

 

          อันดับต่อมาด้วยตัวกลางนำไฟฟ้าและชิ้นส่วนภายในเป็นของแข็ง ในทางหนึ่งถือเป็นการเพิ่มความเสถียรในการจ่ายพลังงานให้แก่อุปกรณ์ นอกจากช่วยให้การใช้งานเป็นไปอย่างราบรื่น ยังช่วยให้แบตเตอรี่รองรับกำลังไฟได้มากและรวดเร็วยิ่งขึ้น ย่นระยะเวลาในการชาร์จแบตเตอรี่ให้สะดวกในการใช้งาน

 

          อีกหนึ่งจุดเด่นสำคัญที่ขาดไปไม่ได้คือความปลอดภัย อุณหภูมิถือเป็นจุดด้อยของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสมอมา ในอุณหภูมิต่ำแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะสูญเสียคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า เป็นเหตุให้ต้องมีการอุ่นแบตเตอรี่อยู่ตลอดเพื่อให้สามารถใช้งานตามปกติ และเมื่ออุณหภูมิสูงเกินก็อาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายจนเกิดการติดไฟ และยังอาจทำให้เกิดการรั่วไหลของสารเคมีอีกด้วย

 

ตรงข้ามกับแบตเตอรี่โซลิดสเตทที่ไม่มีปัญหานี้ ด้วยคุณสมบัติของแข็งจึงไม่เกิดการระเหยที่นำไปสู่การรั่วไหลหรือติดไฟที่อุณหภูมิสูง ลดความเสี่ยงในการเกิดอันตรายจากไฟไหม้แบตเตอรี่ลงไปมาก ช่วยลดความจำเป็นของอุปกรณ์เซฟตี้ในกรณีเกิดเหตุฉุกเฉิน ซึ่งหมายถึงค่าใช้จ่ายที่ลดลงด้วยเช่นกัน

 

          เช่นเดียวกับในอุณหภูมิเย็นจัดที่แบตเตอรี่โซลิดสเตทแทบไม่ได้รับผลกระทบ ด้วยการมีอิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็งอยู่ก่อน อุณหถูมิเย็นจัดจึงแทบไม่ส่งผลต่อการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ ทำให้ภายใต้สภาพอากาศเย็นจัด การจ่ายพลังงานหรือรับประจุก็ยังสามารถทำงานได้อย่างราบรื่นเช่นเดิม

 

          จึงไม่ใช่เรื่องแปลกที่หลายฝ่ายต่างเริ่มให้ความสนใจและพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตทให้ใช้ร่วมกับรถยนต์ไฟฟ้าอย่างจริงจัง

 

 

          ความพยายามในการใช้งานแบตเตอรี่โซลิดสเตทใน EV

 

          ด้วยเหตุผลข้างต้นแบตเตอรี่โซลิดสเตทจึงได้รับความสนใจเป็นวงกว้าง หลายบริษัทต่างมองเห็นช่องทางและเริ่มพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดนี้ให้ใช้งานร่วมกับรถยนต์ไฟฟ้าแล้วเช่นกัน ตั้งแต่

 

          - Toyota ร่วมมือกับบริษัทแบตเตอรี่ยักษ์ใหญ่ Panasonic และ Prime Planet Energy & Solutions Inc ในการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตท เพื่อทวงส่วนแบ่งทางการตลาดรถยนต์ไฟฟ้าที่เสียไป และแก้ปัญหาการเข้าถึงตลาดเหมืองลิเธียมในต่างประเทศ

 

          - Nissan Motor อยู่ในระหว่างการพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตทและคาดวาจะพร้อมผลิตจำนวนมากเพื่อใช้งานเชิงพาณิชย์ในปี 2028

 

          - Volkswagen ก็ร่วมมือกับ Bill Gates ในการลงทุนในบริษัทสตาร์ทอัพด้านแบตเตอรี่อย่าง QuantumScape Corp โดยมีเป้าหมายในการผลิตเพื่อใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้าภายในปี 2024 เช่นเดียวกับ Volkswagen ที่มีแผนเปิดสายการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตทภายในปี 2025 เช่นกัน

 

          - Ford Motor, BMW และ Hyundai Motor ก็ได้ร่วมลงทุนในสตาร์ทอัพอย่าง Solid Power ที่นำเสนอว่าแบตเตอรี่โซลิดสเตทของพวกเขาจ่ายพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่รุ่นเก่า 50% โดยมีแผนการผลิตแบตเตอรี่ชนิดนี้ใช้งานเชิงพาณิชย์ภายในปี 2030

 

          แน่นอนไม่ได้หมดเพียงเท่านี้บริษัทรถยนต์อีกหลายแห่งเองก็มุ่งหน้าพัฒนาแบตเตอรี่โซลิดสเตทเช่นกัน ตั้งแต่ Hyundai, Mercedes-Benz, Honda หรือแม้แต่บริษัทอิเล็กทรอนิกส์อย่าง Samsung ล้วนมุ่งเป้าในการผลักดันเทคโนโลยีนี้ให้เป็นอนาคตของยานยนต์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่นกัน

 

          อย่างไรก็ตามการพัฒนาอาจไม่เกิดขึ้นในเร็ววัน จากข้อจำกัดทางด้านเทคโนโลยีของแบตเตอรี่โซลิดสเตทเอง ด้วยการออกแบบอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งเป็นเรื่องยากและอาจเกิดความเสียหายง่ายในขั้นตอนการผลิต กับปัญหาในด้านอายุการใช้งานที่สั้นกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน อีกทั้งตัวแบตเตอรี่จึงมีต้นทุนการผลิตสูง ยากต่อการผลิตเป็นจำนวนมากในปัจจุบัน

 

          แต่อาจไม่เป็นแบบนั้นเสมอไปเมื่อเริ่มมีการคิดค้นแนวทางในการเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตท

 

 

          ก้าวแรกสู่การผลักดันแบตเตอรี่โซลิดสเตท

 

          ผลงานนี้เป็นของทีมวิจัยจาก Oak Ridge National Laboratory กับการคิดค้นปรับแต่งกระบวนการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตท ช่วยลดข้อบกพร่องในขั้นตอนการผลิตให้สามารถทำการผลิตได้ง่าย ซึ่งอาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการพัฒนาแบตเตอรี่ยิ่งขึ้นในอนาคต

 

          เดิมการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตทความยากสูงสุดในขั้นตอนการผลิตคือ การผลิตฟิล์มอิเล็กโทรไลต์จากวัสดุ antiperovskite (Li2OHCl) ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของแบตเตอรี่ ชิ้นส่วนนี้มีโอกาสเกิดข้อผิดพลาดสูงจากการซึมเข้าของฟองอากาศ แม้จะเล็กน้อยแต่ฟองอากาศนี้จะเข้าไปรบกวนการชาร์จและจ่ายพลังงานจนประสิทธิภาพการทำงานลดลง

 

          ด้วยเหตุนี้ทางทีมงานจึงได้ทำการเพิ่มความร้อนให้แก่แท่นการผลิต จากนั้นจึงทำการเชื่อมแผ่นฟิล์มในขณะที่ร้อนจัดแล้วทำให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว วิธีการนี้จะช่วยไล่ฟองอากาศที่อาจเข้ามาแทรกซ้อนระหว่างขั้นตอนการผลิต อีกทั้งยังช่วยเพิ่มคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและความจุโดยรวมของแบตเตอรี่ให้มากขึ้นถึง 50% เลยทีเดียว

 

          ด้วยวิธีการนี้การผลิตและใช้งานแบตเตอรี่โซลิดสเตทจะเพิ่มความเสถียรยิ่งขึ้น ช่วยให้การผลิตแบตเตอรี่ชนิดนี้ในการใช้งานเชิงพาณิชย์มีโอกาสเป็นจริงเพิ่มขึ้นอีกก้าว ทั้งยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่ ซึ่งจะมีประโยชน์ต่ออนาคตของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์โดยรวม

 

          นี่จึงเป็นก้าวแรกที่จะช่วยผลักดันให้แบตเตอรี่โซลิดสเตทสามารถนำไปใช้งานทั่วไปในเร็ววัน

 

 

 

 

          แน่นอนปัญหาในขั้นตอนการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตทยังมีอีกหลายด้านที่จำเป็นต้องได้รับการแก้ไข เราจึงอาจต้องใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกันไปอีกสักระยะ แต่คาดว่าภายใต้การพัฒนาของบริษัทยักษ์ใหญ่มากมาย ภายใน 5 ปีแบตเตอรี่โซลิดสเตทอาจออกมาให้เรายลโฉมและใช้งานกันในไม่ช้า

 

          ขึ้นอยู่กับว่าบริษัทใดจะประสบความสำเร็จและประกาศเปิดตัวออกมาเป็นเจ้าแรกเท่านั้น

 

 

 

 

          ที่มา

 

          https://www.car250.com/solid-state-battery-ev-2023.html

 

          https://www.mreport.co.th/news/trend-and-innovation/210-Why-is-solid-state-battery-important

 

          https://www.reuters.com/business/autos-transportation/how-could-solid-state-batteries-improve-next-gen-evs-2023-06-13/

 

          https://newatlas.com/technology/simple-tweak-creates-safer-more-efficient-solid-state-batteries/