แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Li-ion Battery) เป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในปัจจุบัน สามารถใช้งานหลากหลาย เช่น อุปกรณ์ไร้สาย แหล่งกักเก็บพลังงานสำรอง และโดยเฉพาะอย่างยิ่งการใช้งานกับยานยนต์ไฟฟ้าที่ประเทศไทยได้สนับสนุนนโยบายส่งเสริมยานยนต์ไฟฟ้าให้ได้ 30 เปอร์เซ็นต์ ภายในปี 2030 เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนดังกล่าวได้รับการขนานนามว่า “เป็นเทคโนโลยีที่เปลี่ยนวิถีชีวิตของมนุษย์ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 ไปโดยสิ้นเชิง ดังที่ได้มีการประกาศรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2019 ให้แก่นักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน ได้แก่ Standley M. Wittingham John B. Goodenough และ Akira Yoshino
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนทั่วไปในท้องตลาดปัจจุบันยังมีความจุทางไฟฟ้าต่ำ มีปัญหาด้านความปลอดภัย อีกทั้งยังใช้เวลาในการชาร์จแบตเตอรี่นาน ไม่เหมาะกับยุคสมัยที่ต้องการความรวดเร็วและการนำไปใช้ในอุปกรณ์ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น เนื่องจากต้องใช้เซลล์แบตเตอรี่จำนวนมากเพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้าและศักย์ไฟฟ้าที่ต้องการ ซึ่งการผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในประเทศไทยนั้นยังไม่ถือว่าเป็นอุตสาหกรรมที่ยั่งยืน นั่นก็ด้วยการผลิตระดับอุตสาหกรรมในปัจจุบัน ผู้ผลิตทุกรายต้องนำเข้าเทคโนโลยีการประกอบและวัสดุในการผลิตที่มีราคาสูงจากต่างประเทศ ทำให้คนไทยยังคงเผชิญกับราคาขายของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสูงกว่าราคาที่ควรจะเป็น
จะดีหรือไม่? หากเราสามารถผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ได้โดยพึ่งพาวัสดุที่ผลิตได้ในประเทศและเทคโนโลยีที่พัฒนาโดยนักวิจัยไทย เพื่อพัฒนาคุณภาพชีวิตของคนไทยให้ดีขึ้น ทั้งยังเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันกับต่างประเทศได้
ทีมวิจัย Advanced Battery Research Unit จากห้องปฏิบัติการ Renewable Energy Laboratory นำโดย รศ. ดร.ฐปนีย์ สารครศรี ได้สั่งสมบ่มเพาะองค์ความรู้ด้านการสังเคราะห์วัสดุแอโนดที่ใช้ใน แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน มายาวนานกว่า 20 ปี ปัจจุบันได้รับทุนวิจัยในการผลิตวัสดุแอโนดประสิทธิภาพสูงในระดับโรงงานต้นแบบร่วมกับบริษัทเอกชน ได้แก่ บริษัท เคเอ็นพี มาร์เก็ตติ้ง จำกัด และห้างหุ้นส่วนจำกัด เอ็น.อี.ซี. เทคโนโลยีที่มีการนำวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาเป็นวัตถุดิบตั้งต้นในการผลิตร่วมกับวัสดุกราฟีน โดยได้รับทุนวิจัยจากหน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของประเทศ (บพข.) นอกจากนี้ยังมีการลงนามความร่วมมือ (MOU) ด้านวิชาการกับบริษัท ออสก้า โฮลดิ้ง จำกัด และบริษัท สตรอม (ไทยแลนด์) จำกัด รวมถึงมีความร่วมมือในการวิจัยร่วมกับสถาบันวิจัยพลังงานนครพิงค์และนักวิจัยผู้เชี่ยวชาญในต่างประเทศ
โดยภาพรวมแล้วท่านอาจคิดว่าการผลิตวัสดุแอโนดเพื่อประกอบเป็นแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน สามารถทำได้ง่ายไม่ซับซ้อน แต่ในความเป็นจริงนั้นการผลิตยังต้องอาศัยการศึกษาวิจัยไม่ใช่เพียงระดับห้องปฏิบัติการแต่ยังต้องทดลองสังเคราะห์ในระดับอุตสาหกรรมเพื่อให้ได้มาตรฐานเดียวกันกับผลจากห้องปฏิบัติการและมาตรฐานระดับสากล เพื่อยืนยันว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้วัสดุแอโนดที่ผลิตได้ สามารถใช้งานได้จริง มีความจุที่สูงเพียงพอต่อการใช้งานในยุคปัจจุบัน ปลอดภัยต่อผู้ใช้งาน และมีสมบัติของการชาร์จเร็ว ราคาต้นทุนถูก แบตเตอรี่ที่ผลิตขึ้นต้องผ่านการตรวจสอบจากผู้เชี่ยวชาญในสายงานที่เกี่ยวข้องให้ได้มาตรฐานอุตสาหกรรม การันตีคุณภาพด้วยการตีพิมพ์ผลงานวิชาการในวารสารทางวิชาการที่ได้รับการยอมรับในระดับนานาชาติ และการยื่นจดสิทธิบัตร
รู้จักกับ แบตเตอรี Li-ion : เปิดประตูสู่งานวิจัย
แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนประกอบด้วยขั้วบวกหรือแคโทด (Cathode) ขั้วลบหรือแอโนด (Anode) แผ่นกั้นแยกขั้ว (Separator) และอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ซึ่งแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่วางขายในท้องตลาดปัจจุบันนั้นประกอบด้วยการใช้วัสดุ Graphite หรือ Lithium Titanate (Li4Ti5O12; LTO) เป็นแอโนด และ Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2; LCO) Lithium Ferrophosphate (LiFePO4; LFP) หรือ Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNixMnyCo1-x-yO2; NMC) เป็นแคโทด โดยความจุทางไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับการสมดุลวัสดุแคโทดและแอโนดให้เหมาะสม
แผนภาพเซลล์ Li-ion Battery จาก Goodenough, J. B., & Park, K.-S. (2013). The Li-Ion Rechargeable Battery: A Perspective. Journal of the American Chemical Society, 135(4), 1167-1176.
จะเห็นว่า การเลือกใช้วัสดุของขั้วแอโนดในแบตเตอรี่ เป็นส่วนที่มีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งในการพัฒนาแบตเตอรี่ สำหรับวัสดุแอโนดที่ได้รับการพัฒนาในกลุ่มวิจัยนี้มีองค์ประกอบเป็น กราฟีน ซิลิคอน ดีบุก เหล็กออกไซด์ และไทเทเนียมไดออกไซด์เฟสบรอนซ์ (TiO2(B)) เป็นต้น โดยนำมามาผลิตเป็นวัสดุนาโนคอมพอสิตด้วยกระบวนการทางเคมีที่ให้ผลการทดสอบที่ดีเยี่ยมไม่ว่าจะเป็นการมีค่าความจุไฟฟ้าสูงกว่าวัสดุแอโนดเชิงพานิชย์ซึ่งสามารถใช้งานได้ยาวนานกว่าเดิมถึง 4 เท่า ความสามารถในการชาร์จเร็วมาก (Ultrafast charging) และปลอดภัยในการใช้งาน
จากคุณสมบัติที่กล่าวมาจะเห็นได้ว่าวัสดุแอโนดข้างต้นนั้นเป็นที่น่าลงทุนในการผลิตและจะเป็นที่น่าลงทุนมากขึ้นหากวัสดุแอโนดเหล่านี้มีต้นกำเนิดจากวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตร เช่น แกลบข้าว ใบไผ่ ใบอ้อย ใบข่อย ต้นข้าวโพด เป็นต้น
หากว่าวัสดุแอโนดเหล่านี้ได้รับการพัฒนาและสนับสนุนจนบรรลุผลสำเร็จ จะมีแนวโน้มสูงว่าคนไทยจะมีแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่มีประสิทธิภาพสูงอายุใช้งานได้ยาวนานในราคาที่สบายกระเป๋ามากขึ้นตลอดจนยานยนต์ไฟฟ้าที่ชาร์จแบตเตอรี่ได้รวดเร็วแต่ได้ระยะทางในการขับขี่ต่อการชาร์จ 1 ครั้ง ไกลขึ้น
วัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรสู่วัสดุแอโนด
จากกระบวนการการผลิตวัสดุแอโนดที่กล่าวไว้ข้างต้น จะเห็นว่าการพัฒนาวัสดุแอโนดให้มีประสิทธิภาพสูงนั้นจะต้องอาศัยความรู้ทั้งเคมีพื้นฐาน การสังเคราะห์วัสดุ การวิเคราะห์และทดสอบตัวอย่างที่ผลิตได้ รวมถึงความรู้เชิงไฟฟ้าเคมีในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนอย่างเข้มข้น กลุ่มวิจัยจึงเริ่มต้นด้วยการออกแบบวัสดุแอโนดให้มีความจุทางไฟฟ้าทางทฤษฎีสูง วิเคราะห์ลักษณะทางเคมี กายภาพและไฟฟ้าเคมี แล้วจึงปรับแต่งวิธีสังเคราะห์ให้มีลักษณะตามต้องการในระดับห้องปฏิบัติการ โดยอาศัยความรู้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ในการวิจัย จากนั้นจึงนำวัสดุเหลือทิ้งทางการเกษตรมาสกัดองค์ประกอบที่ต้องการเพื่อสังเคราะห์เป็นวัสดุแอโนดประสิทธิภาพสูง เช่น วัสดุคอมพอสิตนาโนซิลิกาบนกราฟีน วัสดุคอมพอสิตนาโนซิลิคอนบนกราฟีน เป็นต้น
วัสดุแอโนดทั้งที่มีความจุไฟฟ้าสูงหรือความสามารถชาร์จเร็วมากที่สังเคราะห์ขึ้นได้ในห้องปฏิบัติการนั้นให้ผลการทดสอบทางไฟฟ้าเคมีที่ดีเยี่ยม สามารถสังเคราะห์ได้ง่าย ใช้เวลาในการสังเคราะห์สั้น ทั้งยังมีต้นทุนในการผลิตต่ำ โดยมีผลงานการันตีคุณภาพได้จากผลงานวิจัยของทีมวิจัยมากกว่า 30 เรื่อง ตลอดระยะเวลา 20 ปี ในวารสารวิชาการที่ได้รับการยอมรับระดับนานาชาติและมี Impact Factor สูง เกี่ยวกับวัสดุแอโนดในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ทั้งยังมีการร่วมมือกับนักวิจัยในต่างประเทศที่ทำวิจัยด้านแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนโดยเฉพาะ
วัสดุแอโนดตัวอย่าง Sn(SnO2)-SiO2 บนกราฟีนแต่ละประเภทและผลการทดสอบรอบสมรรถนะ โดยทีมวิจัย Renewable Energy Laboratory
ทีมวิจัยสามารถนำวัสดุแอโนดประสิทธิภาพสูงไปขยายขนาดการผลิตให้ได้ระดับโรงงานต้นแบบเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่อุตสาหกรรม ขณะนี้กรรมวิธีการผลิตวัสดุดังกล่าวอยู่ระหว่างกระบวนการยื่นจดสิทธิบัตร
งานวิจัยพื้นฐานสู่ต้นแบบเชิงพาณิชย์
ผลจากนวัตกรรมที่ทีมวิจัยได้สั่งสมมา ทีมวิจัยจึงมีความเชี่ยวชาญในการออกแบบและสังเคราะห์วัสดุแอโนดให้ออกมาได้หลายระดับ (Grade) ให้เหมาะสมกับการใช้งานในอุปกรณ์แต่ละประเภท อาทิ ยานยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่กักเก็บพลังงานสำรอง หรืออุปกรณ์พกพาจำพวก โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์ แทปเล็ต เป็นต้น
ตัวอย่างเซลล์แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน 18650 ที่ผลิตในระดับอุตสาหกรรมซึ่งมีการคาดการณ์ว่าจะนำไปใช้ในยานยนต์ไฟฟ้า
นวัตกรรมดังกล่าวทำให้ทีมวิจัยได้รับทุนวิจัยในการสร้างโรงงานต้นแบบผลิตวัสดุแอโนดรายแรก เพื่อป้อนให้กับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ในประเทศไทยเพื่อลดการนำเข้าวัตถุดิบจากต่างประเทศ ซึ่งวัสดุที่ผลิตได้จะมีราคาที่ถูกกว่า อีกทั้งโรงงานต้นแบบดังกล่าวยังสามารถขยายกำลังการผลิตรวมถึงการประกอบเป็นเซลล์แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในอนาคต แล้วแพ็คเป็น Packed Li-ion Battery โดยมีการร่วมมือกับทีมวิจัยในคณะวิศวกรรมศาสตร์และสถาบันวิจัยพลังงานนครพิงค์ จากนั้นแพ็คแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ที่ผลิตได้จะมีการทดสอบภาคสนามด้วยการใช้จริงในรถบริการขนส่งมวลชนในมหาวิทยาลัยเชียงใหม่หรือที่เรียกว่า ขสมช. (CMU Transit) ซึ่งเป็นรถขับเคลื่อนพลังงานไฟฟ้าภายใต้โครงการเมืองอัจฉริยะภายในมหาวิทยาลัย
หลังจากผ่านการทดสอบตามมาตรฐานอุตสาหกรรมแล้วจึงพร้อมวางจำหน่ายในพื้นที่ภาคเหนือในขั้นต้นและมีการนำไปใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้าต่อไป
ทีมวิจัย Renewable Energy Laboratory
ตัวอย่างงานวิจัยที่น่าสนใจของกลุ่มวิจัย
[1] O. Namsar, T. Autthawong, V. Laokawee, R. Boonprachai, M. Haruta, H. Kurata, A. Yu, T. Chairuangsri, T. Sarakonsri, Improved electrochemical performance of anode materials for high energy density lithium-ion batteries through Sn(SnO2)–SiO2/graphene-based nanocomposites prepared by a facile and low-cost approach, Sustain. Energ. Fuels, 4 (2020) 4625-4636.
[2] T. Autthawong, Y. Chimupala, M. Haruta, H. Kurata, T. Kiyomura, A.-s. Yu, T. Chairuangsri, T. Sarakonsri, Ultrafast-charging and long cycle-life anode materials of TiO2-bronze/nitrogen-doped graphene nanocomposites for high-performance lithium-ion batteries, RSC Adv., 10 (2020) 43811-43824.
[3] T. Autthawong, T. Promanan, B. Chayasombat, A.-S. Yu, K. Uosaki, A. Yamaguchi, H. Kurata, T. Chairuangsri, T. Sarakonsri, Facile Synthesis Sandwich-Structured Ge/NrGO Nanocomposite as Anodes for High-Performance Lithium-Ion Batteries, Crystals, 11 (2021) 1582.
[4] T. Autthawong, O. Namsar, A. Yu, T. Sarakonsri, Cost-effective production of SiO2/C and Si/C composites derived from rice husk for advanced lithium-ion battery anodes, J. Mater. Sci.: Mater. Electron., 31 (2020) 9126-9132.