แบตเตอรี่ Sodium-Ion คืออะไร ? สำคัญต่ออนาคตของรถ EV มากแค่ไหน ?

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (Sodium-ion) สำคัญอย่างไร ?

ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมานี้ แน่นอนว่าหนึ่งในกระแสที่มาแรงแซงโค้งที่สุดคงไม่พ้นเรื่อง "รถยนต์ไฟฟ้า (EVs)" ด้วยค่าใช้จ่ายในการเติมพลังงานที่ถูก และเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยส่งผลให้ทุกคนหันมาสนใจในการใช้รถยนต์ไฟฟ้าเป็นอีกหนึ่งทางเลือก แต่อย่างไรก็ตามตลาดซื้อ-ขาย รถยนต์ไฟฟ้าก็ยังสั่นคลอนอยู่บ้าง ปัจจัยหลัก ๆ ที่ยังทำให้รถไฟฟ้ายังไม่นิยมเต็มบ้านเต็มเมืองมากนักก็ประกอบไปด้วย การชาร์จหนึ่งครั้งยังต้องใช้เวลาพอสมควร มีรอบการชาร์จอยู่อย่างจำกัด และที่สำคัญที่สุดคือ ความจุของแบตเตอรี่นั่นเอง

ภาพจาก : https://www.dalehoward.com/blogs/1666/uncategorized/electric-vehicles

แต่เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบใหม่ที่แอบซุ่มพัฒนากันมายาวนานมาก กำลังจะกลายเป็นแบตเตอรี่ที่อาจถูกนำมาใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคตเลยซึ่งก็คือแบตเตอรี่แบบโซเดียมไอออน ไฮบริด (Hybrid Sodium-Ion) นั่นเอง โดยทางคณะนักวิจัยจาก Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ให้การรับรองว่า แบตเตอรี่ที่ทำจากเกลือของพวกเขานั้นสามารถที่จะชาร์จได้อย่างรวดเร็ว และมีความเข้มข้นของพลังงานที่สูง ซึ่งอาจเป็นอนาคตของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าเลยทีเดียว ในบทความนี้จะพาทุกคนมาทำความรู้จักกับแบตเตอรี่ โซเดียมไอออน กัน

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน คืออะไร ? (What is a Sodium Ion Battery ?)

จริง ๆ แล้วแบตเตอรี่โซเดียม ก็คล้ายคลึงกับแบตลิเธียม ถ้ามองในมุมของธาตุที่นำมาใช้ทั้งคู่ก็อยู่ในหมู่เดียวกันนั่นก็คือหมู่ที่ 1 หรือที่เราเรียกกันว่า "โลหะอัลคาไลน์ (Alkali Metal) โดยโซเดียม (Na) จะอยู่ที่ด้านใต้ของลิเธียม (Li) ในตารางธาตุ นั่นหมายความว่าทั้งสองธาตุนั้นมีลักษณะทางกายภาพ และคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายกัน

ภาพจาก : https://www.flashbattery.tech/en/sodium-batteries/

องค์ประกอบที่คล้ายคลึงกันนี้ เป็นส่วนผลักดันให้เหล่านักวิจัยเริ่มต้นศึกษาทดลอง และได้นำเอาแบตเตอรี่ที่ใช้โซเดียม ออกมาสำเร็จยุคแรก ๆ ในช่วงปี ค.ศ.1970 (พ.ศ.2513) ถึงปี ค.ศ.1990 (พ.ศ.2533) ซึ่งก็เริ่มทดลองพร้อม ๆ กับลิเธียม แต่ด้วยองค์ความรู้ และความก้าวหน้าในลิเธียมสูงจนประสบความสำเร็จก่อน ทำให้การวิจัยแบตเตอรี่ที่ทำจากโซเดียมถูกเลื่อนออกไปจนการพัฒนาเป็นไปอย่างล่าช้า

หลักการทำงานของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน เรียกได้ว่าไม่ต่างจากแบตเตอรี่ที่ใช้ธาตุลิเธียมเลย การพัฒนาเทคโนโลยีของแบตเตอรี่จากโซเดียมในปัจจุบันนั้น โดยรวมยังเป็นการหยิบยืมนำเอาเทคโนโลยีจากการทำแบตเตอรี่ลิเธียมมาใช้ เช่น วัสดุที่นำมาใช้เป็นขั้วทางไฟฟ้า Electrode ก็นำเอาวัสดุแบบเดียวกันกับแบตเตอรี่ลิเธียมมาใช้

ภาพจาก : https://www.flashbattery.tech/en/sodium-batteries/

แบตเตอรี่ทั้ง 2 ประเภทนี้ ใช้ประจุ หรือที่เรียกว่า ไอออน (Ion) มาเป็นตัวที่เคลื่อนที่ และกักเก็บไว้เป็นพลังงาน โดยประจุไอออนของโซเดียม จะเคลื่อนที่จากแคโทด (Cathode) โดยทำมาจาก LFP หรือ NMC ซึ่งเป็นขั้วด้าน "บวก" ไปยังแอโนด (Anode) ที่ทำจาก Carbon หรือ Graphite ที่เป็นขั้วด้าน "ลบ" โดยเคลื่อนที่ทะลุผ่านสารที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ และตัวแยก ซึ่งการเคลื่อนที่ของไอออนในช่วงนี้จะเรียกว่า "ช่วงเก็บประจุ (Charge Phase)" อิเล็กตรอนจะถูกดักไว้ด้วยแผ่นตัวแยก (Seperater) และตรงกันข้ามในช่วง "คลายประจุ (Discharge Phase)"  ไอออนจะวิ่งกลับไปยังขั้วแคโทดพร้อมกับอิเล็กตรอน ส่งผลให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าในวงจรนั่นเอง

แบตเตอรี่โซเดียมไออน กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แตกต่างกันอย่างไร ? (What is the difference between Sodium Ion Battery and Lithium Ion Battery ?)

ภาพจาก : https://www.youtube.com/watch?v=1NyMxl4abmU

จริง ๆ แล้วแบตเตอรี่ทั้งสองก็ยังมีความแตกต่างที่เห็นได้ชัด หากมองในเชิงของลักษณะทางเคมีของทั้งสองธาตุ โดยรัศมีอะตอมของโซเดียมมีขนาดใหญ่กว่า 0.3 A ของลิเธียม ซึ่งหมายความว่าน้ำหนักอะตอม 1 อะตอมของโซเดียม หนักมากกว่าลิเธียมถึง 3 เท่า และเพียงสาเหตุนี้เพียงสาเหตุเดียวก็สามารถสร้างความต่างที่เห็นได้ชัดเลย ซึ่งการที่น้ำหนักของอะตอมโซเดียมมีมากกว่าส่งผลให้เกิด ความเครียดทางกล ทำให้เซลล์เสื่อมสภาพได้รวดเร็วเป็นอย่างมาก

ผลที่ตามมาคือโซเดียมแบตเตอรี่จะมี รอบการชาร์จที่ต่ำ และจะให้ประสิทธิภาพต่ำกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม เนื่องมาจากกราไฟท์ที่นำมาใช้ทำแอโนดนั้น จะสลายจากการทำปฏิกิริยากับโซเดียมไอออน ส่งผลให้เราสามารถชาร์จเจ้าแบตเตอรี่โซเดียมไอออนเพื่อใช้งานซ้ำได้ไม่กี่ครั้งนั่นเอง 

เปรียบเทียบ ข้อดี-ข้อเสีย ของแบตเตอรี่โซเดียมไอออน

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน สำคัญต่ออนาคตของรถ EV อย่างไร ? (How important is Sodium Ion Battery to the future of EV cars ?)

หากทุกคนอ่านมาถึงตรงนี้แล้วก็คงสงสัยว่า แบตเตอรี่โซเดียมไอออน มันจะไปเป็นอนาคตของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าได้ยังไง ? เพราะมันแทบจะด้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมในทุก ๆ ด้าน แต่ต้องบอกก่อนเลยว่าเมื่อไม่นานมานี้ เหล่านักวิจัยจากสถาบัน Korea Advance Institute of Science and Technology (KAIST) ได้ออกมายืนยันว่าพวกเขาสามารถที่จะสร้างแบตเตอรี่จากโซเดียมที่มีประสิทธิภาพสูง, ชาร์จได้อย่างรวดเร็ว และมีความจุที่สูงด้วยเช่นกัน ซึ่งหากมันเป็นจริงตามที่รายงานจากห้องทดลองระบุไว้ มันอาจเปลี่ยนแปลงอนาคตของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าได้เลยทีเดียว

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน กับการนำซุปเปอร์คาปาซิเตอร์มาใช้

ภาพจาก : https://learningabroad.utoronto.ca/experiences/summer-research-exchange-korea-advanced-institute-of-science-technology-kaist/

เทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ใหม่ที่พัฒนาโดยเหล่านักวิจัยจาก KAIST นี้นั้นได้ถูกเผยแพร่ในบทความวิจัย "Energy Storage Materials" ซึ่งพวกเขาแก้ปัญหาที่มีอยู่ในแบตเตอรี่โซเดียมเดิมด้วยการรวมวัสดุที่ขั้ว Anode ซึ่งก็คือ อนุภาคละเอียดของ Iron-sulfide ฝังอยู่ในคาร์บอน และกราฟีนที่ถูกเจือด้วยซัลเฟอร์ ประกอบด้วยขั้ว Cathode เป็นซีโอลิติกอิมิดาโซเลต (Zeolitic imidazolate) ที่มีรากฐานจากซูเปอร์คาปาซิเตอร์แบตเตอรี่ ส่งผลให้ผลลัพธ์ที่ได้คือแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง และจัดเก็บพลังงานได้อย่างรวดเร็ว ให้ชื่อว่า "Sodium-ion Hybrid Batteries" 

อ้างอิงจากผลทดลองของ KAIST แบตเตอรี่ตัวใหม่นี้จะแสดงลักษณะความหนาแน่นของพลังงานที่สูงเหมือนกับซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ จนสามารถแซงหน้าแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้งานกันอยู่ได้เลย โดยมีความจุของแบตเตอรี่ถึง 247 วัตต์ต่อกิโลกรัม และสามารถส่งพลังงานได้ในอัตราสูงสุดที่ 34,748 วัตต์ต่อกิโลกรัม

ศาสตราจารย์ Kang Jeong-gu จากทีมวิจัยกล่าวว่า "แบตเตอรี่โซเดียมไอออน ไฮบริด ถือเป็นก้าวที่สำคัญ ที่ข้ามผ่านปัญหาของอุปกรณ์กักเก็บพลังงานในปัจจุบัน" ถือเป็นการประกาศว่ายุคใหม่ที่การชาร์จเป็นไปอย่างรวดเร็วกลายเป็นความจริงสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทุกชนิด รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้าด้วย

แบตเตอรี่โซเดียมไอออนไฮบริด อาจมาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ณ ตอนนี้แบตเตอรี่ลิเธียมยังคงเป็นดั่งกระดูกสันหลังของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าอยู่ร่วมทศวรรษแล้ว แต่อย่างไรก็ตามสิ่งที่เป็นปัญหาสำคัญก็คือปริมาณของแร่ลิเธียมที่มีอยู่อย่างจำกัด ซึ่งมีแหล่งผลิตใหญ่อยู่ที่ประเทศจีน และอาร์เจนติน่าที่ครองตลาดแร่ลิเธียมอยู่ แต่ด้วยความต้องการของรถยนต์ไฟฟ้าที่สูงขึ้น ส่งผลให้ปริมาณของแร่ลิเธียม และแร่หายากอื่น ๆ ที่เป็นส่วนประกอบของแบตเตอรี่ต้องใช้ปริมาณมากขึ้นไปอีก สาเหตุนี้จึงเป็นอันตรายต่ออนาคตของรถยนต์ไฟฟ้าเลย 

ภาพจาก : https://www.telecomtv.com/content/emerging-tech/lithium-mining-now-a-strategic-geopolitical-issue-for-the-us-41492/

กลับกันในมุมของโซเดียม แบตเตอรี่ที่มาจากโซเดียมมีแร่ที่สามารถหาได้ง่ายกว่าลิเธียม มีราคาที่ถูกกว่าลิเธียม และส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม  แบตเตอรี่โซเดียมไอออน ไฮบริด ตัวใหม่สามารถที่จะแสดงประสิทธิภาพที่เหนือกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมถึงกว่า 100 เท่า เนื่องจากมันสามารถที่จะชาร์จได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นทางเลือกที่เหมาะสมมาก ๆ กับการใช้งานรถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันที่ต้องใช้เวลาหลายนาที ไปจนหลายชั่วโมง หากต้องการจะชาร์จให้เต็ม 100%

แต่แบตเตอรี่โซเดียมไอออน ก็ยังมีความท้าทายที่สำคัญอยู่นั่นคือ น้ำหนักของตัวแบตเตอรี่โซเดียมที่มากกว่าลิเธียมถึง 3 เท่า ซึ่งการนำมันมาประยุกต์ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าอาจไม่ใช่เรื่องใหญ่ เพียงแต่ว่าการจะนำไปใช้ในอุปกรณ์พกพาอย่างเช่น สมาร์ทโฟน และแลปท็อป อาจทำได้ยากนั่นเอง 

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน จะนำมาซึ่งจุดจบของรถน้ำมันได้ไหม ?

กระแสของโลกในปัจจุบันคือการอนุรักษ์พลังงาน และสิ่งแวดล้อมด้วยการลดการใช้งานเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งอาจเป็นไปได้ด้วยนวัตกรรมแบตเตอรี่ใหม่จาก KAIST โดยได้อธิบายว่ารถยนต์ไฟฟ้าจะสามารถมาแทนรถยนต์เชื้อเพลิงได้จริง ก็ต่อเมื่อมันสามารถชาร์จได้รวดเร็ว ใช้เวลาในการชาร์จพลังงานได้น้อยจนใกล้เคียง กับการเติมน้ำมัน ถึงจะมีโอกาสที่รถยนต์ไฟฟ้าจะสามารถแทนที่รถยนต์ที่ใช้น้ำมันเชื้อเพลิงได้

ภาพจาก : https://cars.usnews.com/cars-trucks/advice/ev-charging-stations

เพื่อที่จะให้มองเห็นภาพที่ชัดเจนขึ้นเราลองมาดูตารางเปรียบเทียบระหว่างแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ไฮบริด กับ น้ำมันแก็ซโซลีน (น้ำมันเบนซิน หรือแก็สโซฮอลในบ้านเรา)

บทสรุปเกี่ยวกับ แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (Sodium Ion Battery Conclusion)

ด้วยอนาคตของโลกเราที่รถยนต์ไฟฟ้ากำลังจะเข้ามามีบทบาทสำคัญ ซึ่งปัญหาที่รถยนต์ไฟฟ้าในปัจจุบันนี้ยังต้องได้รับการแก้ไขคือระยะเวลาที่ใช้ในการชาร์จให้เต็ม 1 ครั้งนั่นเอง ซึ่งเทคโนโลยีในปัจจุบันที่ยังคงใช้แบตเตอรี่ลิเธียม ยังต้องใช้เวลาชาร์จที่มากพอสมควร รวมถึงปริมาณของแร่ที่กำลังหมดไป จนอาจไม่พอใช้ในอนาคต

โซเดียมไอออนแบตเตอรี่ ด้วยความที่มีต้นทุนในการผลิตที่ต่ำ หาได้ในธรรมชาติเยอะ และด้วยนวัตกรรมใหม่ที่เพิ่งคิดค้นออกมาได้เช่น แบตเตอรี่โซเดียมไอออน ไฮบริด ที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่โซเดียมให้เทียบเท่าหรือเหนือกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมได้ หากสามารถนำเอามาใช้ได้จริงกับรถยนต์ไฟฟ้า น่าจะทำให้ความนิยมของรถไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้นอย่างแน่นอน