แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน จากงานวิจัยสู่การผลิตทางการค้า

ในบรรดาเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานที่มีอยู่ แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน (lithium-ion; LIB) มีความหนาแน่นของพลังงานและการใช้แบบอเนกประสงค์อย่างที่แบตเตอรี่ชนิดอื่นยากจะเทียบได้ นับตั้งแต่มีการเปิดตัว LIB ในเชิงพาณิชย์ครั้งแรก กระทั่งเติบโตอย่างแพร่หลายนั้น มีแรงผลักดันมาจากการใช้แบตเตอรี่ชนิดนี้ในอุปกรณ์พกพา อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ยานยนต์ไฟฟ้ามีการขยายจำนวนอย่างมาก และยังมีการใช้งานแบบอยู่กับที่เกิดขึ้นอีก จึงทำให้ผู้ค้าสะสมวัตถุดิบของ LIB ไว้โดยไม่กระจายให้สม่ำเสมอ และมีแนวโน้มที่จะเกิดความผันผวนของราคา การใช้งานขนาดใหญ่เหล่านี้จึงสร้างแรงกดดันในห่วงโซ่คุณค่าของ LIB อย่างที่ไม่เคยปรากฏมาก่อน จึงส่งผลให้เกิดความต้องการสมบัติทางเคมีอื่นๆ สำหรับกักเก็บพลังงานเป็นทางเลือก

ในแบตเตอรี่อีกชนิดหนึ่ง ด้วยสมบัติทางเคมีของแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน (sodium-ion battery; SIB หรือ Na-ion battery) ซึ่งเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีกักเก็บพลังงานที่ให้ความหวังต่อจากลิเธียมได้มากที่สุด โดยรายงานล่าสุดของ IDTechEx เกี่ยวกับแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน เรื่อง “Sodium-ion Batteries 2023-2033: Technology, Players, Markets, and Forecasts” ได้กล่าวถึงความท้าทายและโอกาสที่สำคัญในทางการค้าของแบตเตอรี่ชนิดนี้

SIB เป็นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่เกิดขึ้นมาไม่นาน และกำลังเติบโตในเชิงพาณิชย์ มีจุดเด่นทั้งด้านราคา ความปลอดภัย ความยั่งยืน และสมรรถนะ ให้ประโยชน์อย่างที่คาดหวังได้เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน สามารถใช้วัตถุดิบ SIB ที่มีอยู่อย่างแพร่หลายและราคาไม่แพง และยังสามารถปรับขยายจากวิธีการผลิตลิเธียม-ไอออนที่มีอยู่แล้วได้อย่างรวดเร็ว

ความน่าสนใจของ SIB คือ โอกาสตอบสนองความต้องการได้ในระดับโลก จากการใช้เพื่อกักเก็บพลังงานเพื่อให้เป็นกลางทางคาร์บอน โดยมีปัจจัยสำคัญอยู่ที่ต้นทุนการดำเนินงานตลอดอายุการใช้งาน ไม่ใช่ที่น้ำหนักหรือปริมาตร แบตเตอรี่ SIB ที่เพิ่มจำนวนมากขึ้นนั้นมีสมบัติเทียบเท่ากับแบตเตอรี่ LFP (lithium iron phosphate) ซึ่งบ่งบอกเป็นนัยได้ว่า แม้แต่การใช้งานในรถยนต์ ก็มีความเป็นไปได้

SIB มีหลักการทำงานพื้นฐานเช่นเดียวกับ LIB เพียงแต่อาศัย ‘โซเดียม’ เป็นไอออนบวกเคลื่อนที่ (mobile cations) แทน ‘ลิเธียม’ จุดที่ต่างไปจากลิเธียม คือ โซเดียมจะไม่เกิดการเจือปนกับอะลูมิเนียมในทางเคมีไฟฟ้าที่อุณหภูมิห้อง ดังนั้นตัวสะสมกระแสไฟฟ้าบนขั้วบวกจากที่เป็นทองแดง จึงสามารถทดแทนด้วยอะลูมิเนียมที่มีราคาถูกกว่า ซึ่งไม่เพียงแต่ลดต้นทุน SIB เท่านั้น แต่ยังช่วยลดความเสี่ยงในการขนส่งได้อีกด้วย เนื่องจากแบตเตอรี่นี้สามารถคายประจุกระทั่งเป็น 0V ได้ จึงสามารถขนส่ง SIB ได้อย่างสมบูรณ์

โดยทั่วไปแล้ววัสดุที่ใช้เป็นขั้วแอโนด (ตัวแอคทีฟ) ของ SIB จะใช้ฮาร์ดคาร์บอน (hard carbon) แทนแกรไฟต์ เนื่องจากแกรไฟต์ในสภาพที่เป็นผลึก มีสมบัติในการกักเก็บโซเดียมไอออนได้ไม่ดี แต่ก็มีวัสดุที่เป็นแคโทดหลายชนิด ซึ่งมีพื้นฐานทางเคมีที่สามารถนำมาใช้แทนได้ เช่น มีชั้นออกไซด์ของโลหะทรานซิชัน, สารประกอบ polyanionic และวัสดุ PBAs (Prussian Blue Analogues) โดยที่อิเล็กโทรไลต์ และตัวแยก (separators) ตลอดจนตัวสะสมกระแสบวกจะคล้ายกับ LIB ยกเว้นการใช้เกลือโซเดียมในอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งในรายงาน IDTechEx ได้เปรียบเทียบวัสดุ Na-ion และสมบัติทางเคมี รวมถึงการแจกแจงต้นทุนเซลล์ เพื่อประเมินศักยภาพทางการตลาด

ตอนนี้มีใครใช้แบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน

แม้ว่าเทคโนโลยี Na-ion เหมือนจะถอดมาจากแบบ Li-ion ที่มีทั้งอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ประเภทเดียวกัน แต่ Na นั้นหนักกว่า Li ถึงสามเท่า และมีศักย์รีดอกซ์ต่ำกว่า 300mV ซึ่งโดยเนื้อแท้แล้วจะทำให้ความหนาแน่นพลังงานของเทคโนโลยี Na-ion ลดลงอย่างน้อย ∼30% เมื่อเทียบกับ Li-ion ดังนั้น การใช้เทคโนโลยี Na-ion เพียงอย่างเดียวสำหรับการใช้งานที่ต้องการความหนาแน่นของพลังงานสูง เช่น แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า จึงเป็นส่วนที่ต้องละทิ้งไปก่อน อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานที่ความหนาแน่นของพลังงานไม่ได้สำคัญเท่ากับที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า เช่น ชุดกักเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ รถสองล้อไฟฟ้า และรถไมโครคาร์ไฟฟ้า ซึ่งแบตเตอรี่ Na-ion นั้นเหมาะสมที่สุด เนื่องจากสมบัติด้านพลังงาน ความปลอดภัย และต้นทุน

การพัฒนาในทางอุตสาหกรรม

บริษัทที่ทำแบตเตอรี่ Na-ion ส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในประเทศจีน โดยรัฐบาลจีนกำลังสนับสนุนการพัฒนาอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ Na-ion ของประเทศ เพื่อจัดหาแบตเตอรี่ที่มีเสถียรภาพและเป็นผู้นำในการพัฒนาแบตเตอรี่รุ่นต่อไป จากการวิจัยของ IDTechEx พบว่ามีเกือบ 20 บริษัท ที่กำลังดำเนินการเกี่ยวกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน อยู่ในประเทศจีนประเทศเดียว ซึ่งเห็นได้จากมีกิจกรรมการจดสิทธิบัตรสูงที่สุดในภูมิภาค อย่างไรก็ตาม แม้ว่าโอกาสทางการตลาดของแบตเตอรี่ชนิดนี้จะยังดูเอื่อยๆ แต่บริษัทต่างๆ ในประเทศตะวันตกก็มีการเคลื่อนไหวเพื่อเข้าสู่ธุรกิจ จึงทำให้พอมองเห็นศักยภาพในอนาคตของแบตเตอรี่ Na-ion ได้

เพิ่มเติมสำหรับประเทศไทย — นอกจากรายงานของ IDTechEx แล้ว ในประเทศไทยก็มีความเคลื่อนไหวล่าสุดเกี่ยวกับแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออนด้วยเช่นกัน โดยเมื่อช่วงปลายปี พ.ศ. 2565 ที่ผ่านมา ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยขอนแก่น ประกาศความสำเร็จในการผลิตต้นแบบแบตเตอรี่โซเดียม-ไอออน และกำลังพัฒนากระบวนการผลิตเพื่อขยายไปสู่ระดับอุตสาหกรรมต่อไป โดยมีศักยภาพที่สำคัญอย่างหนึ่ง คือ วัตถุดิบที่จะนำมาผลิต สามารถใช้แหล่งแร่เกลือหินที่มีอยู่จำนวนมากในประเทศไทย

ที่มา: IDTechEx, มหาวิทยาลัยขอนแก่น (https://www.khonkaenuniversity.in.th/123687/)