แบตเตอรีลิเธียม ( ตอนที่ 1 )

หลายปีก่อนหน้านี้เราได้ตระหนักกันถึงเรื่องภาวะโลกร้อน  โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อได้เห็นสารคดีอย่าง An Inconvenient Truth รวมทั้งหนังสือ An Inconvenient Truth: The Planetary Emergency of Global Warming and What We Can Do About It ที่นำเสนอโดยอดีตรองประธานาธิบดีสหรัฐ อัล กอร์ ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาสันติภาพเมื่อปีพ.ศ. 2550

จวบจนถึงปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์จำนวนมากได้ทำการเก็บข้อมูล ตรวจวัด วิเคราะห์ สร้างแบบจำลองทางคอมพิวเตอร์หาทางแก้ปัญหาในรูปแบบต่าง ๆ  แต่ก็เหมือนจะเป็นเรื่องของนักวิทยาศาสตร์หรือผู้มีหน้าที่เกี่ยวข้องเฉพาะส่วนไป  เช่นการหาทางลดการใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลอย่างถ่านหิน น้ำมัน ในระบบอุตสาหกรรมเพื่อลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก หันมาใช้พลังงานสะอาดจากพลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานน้ำ พลังงานลม เพื่อทดแทนในสัดส่วนที่เพิ่มขึ้นแต่ไม่ได้เป็นเรื่องที่จำเป็นต้องทำอย่างเร่งด่วนในครัวเรือน

…..

จนกระทั่งเมื่อเร็ว ๆ นี้ด้วยภาวะเงินเฟ้อที่สูงที่สุดเป็นประวัติการณ์ในรอบสี่สิบปีของสหรัฐฯ อันเป็นผลส่วนหนึ่งมาจากการทำ QE ประกอบกับปัจจัยที่เสริมกันคือราคาน้ำมันที่เพิ่มสูงขึ้น ยิ่งทำให้ภาวะเงินเฟ้อรุนแรงขึ้น

เมื่อราคาน้ำมันเพิ่มสูงขึ้นซึ่งน้ำมันก็เป็นต้นทุนของสินค้าแทบทุกชนิด ก็ทำให้สินค้ามีต้นทุนเพิ่มสูงขึ้น รวมทั้งเกิดการระบาดของโควิด 19 ทั่วโลก การผลิตสินค้า การจัดส่งสินค้า ทำได้จำกัด เกิดคอขวดโลจิสติกส์ก็ยิ่งเป็นปัจจัยเสริมให้สินค้าเกิดการขาดแคลนและมีราคาแพงขึ้น ภาวะสงครามที่ยืดเยื้อ คนขาดรายได้แต่ต้องซื้อสินค้าราคาแพง ด้วยเหตุและปัจจัยดังกล่าวข้างต้นจึงเข้าอกเข้าใจกันเป็นอย่างดีแล้วว่า จำเป็นต้องหาทางลดค่าใช้จ่ายไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง

ด้วยช่วงจังหวะเวลาที่เหมาะสมนี้ กระแสของรถไฟฟ้าจึงเป็นที่พูดถึงของคนทั่วไปเพื่อคิดจะนำมาใช้ในระดับครัวเรือน

เพราะทุกคนคิดว่าการใช้รถไฟฟ้านอกจากจะเป็นการประหยัดในส่วนของค่าน้ำมันแล้วยังเป็นการช่วยลดภาวะโลกร้อนได้ดีอีกทางหนึ่งด้วย

ถ้าหากประชากรโลกหันมาใช้รถไฟฟ้ากันมากขึ้นเรื่อย ๆ ย่อมส่งผลดีต่อค่าใช้จ่ายในครัวเรือนและช่วยแก้ปัญหาภาวะโลกร้อนได้อีกทาง

……………..

แต่การผลิตรถไฟฟ้านั้นมีข้อจำกัดหรือมีคอขวดในการผลิตอยู่ตรงแบตเตอรี

หากเราลองมองรอบตัว ไม่ว่าจะเป็นสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต คอมพิวเตอร์พกพา กล้องถ่ายรูป ล้วนใช้แบตเตอรีทั้งนั้น  แบตเตอรีก็มีหลายแบบแต่ชนิดที่นิยมใช้กันมากที่สุดก็คือแบตเตอรีลิเธียมไออน หรือเรียกกันสั้น ๆ ว่า แบตลิเธียม

……………………………………….

ทำไมถึงต้องเป็นแบตลิเธียม ?

ทำไมถึงนิยมใช้แบตลิเธียมกัน เพราะว่าแบตลิเธียมสามารถชาร์จไฟได้หลายร้อยครั้งโดยที่ยังมีความเสถียรอยู่ ให้พลังงานได้สูงและแรงดันไฟสูงทั้งต่อมวลหรือต่อปริมาตร มีอัตราการคายประจุน้อย พูดง่าย ๆ ก็คือถ้าเอาแบตลิเธียมมาใช้ อุปกรณ์พกพาของเราก็จะใช้ต่อครั้งได้นาน ไม่ต้องชาร์จไฟบ่อยกว่าแบตแบบอื่น ๆ ทำให้ได้รับความนิยมสูง  

………

แล้วแบตเตอรีลิเธียมทำงานอย่างไร ?

แบตลิเธียมนั้นถือว่าเป็นเทคโนโลยีแบตเตอรีที่ก้าวหน้า ซึ่งอาศัยการใช้ลิเธียมไอออนเป็นส่วนประกอบสำคัญในกระบวนการไฟฟ้าเคมี

โดยในปี 1991 SONY เป็นบริษัทแรกที่นำแบตเตอรีลิเธียมไอออนมาใช้ในเชิงพาณิชย์

ลิเธียมไอออนแบตเตอรีเป็นแบตเตอรีที่สามารถชาร์จประจุได้ โดยระหว่างที่มีการใช้ไฟ ลิเธียมไอออนก็จะเคลื่อนที่จากขั้วลบผ่านสารละลายอิเล็กโตรไลท์ไปยังขั้วบวก และเมื่อทำการชาร์จไฟก็จะไหลกลับไปยังขั้วลบเพื่อจับกับโลหะออกไซด์กลายเป็นสารประกอบลิเธียมโลหะออกไซด์ตามเดิม

ลิเธียมเป็นธาตุที่มีแนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเนื่องจากมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดเพียง 1 ตัว ซึ่งหากเสียอิเล็กตรอนวงนอกสุดไปแล้วจะทำให้มันอยู่ในภาวะที่เสถียรกว่าเดิม ด้วยคุณสมบัติดังกล่าวทำให้ลิเธียมบริสุทธิ์เป็นโลหะที่เกิดปฏิกริยาได้ง่ายไม่ว่าจะกับน้ำหรืออากาศ ด้วยคุณสมบัติดังกล่าว การผลิตแบตเตอรีจึงนิยมนำลิเธียมมาใช้ร่วมกับโลหะอย่างนิกเกิลเพื่อทำเป็นโลหะออกไซด์ ทั้งนี้ความหนาแน่นของพลังงานที่แบตเตอรีจะให้ได้นั้นขึ้นอยู่กับวัสดุที่นำมาทำเป็นขั้วแคโทด (cathode) เป็นหลักซึ่งเป็นเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันเพื่อให้อิเล็กตรอนออกมาหรือเรียกว่าเป็นขั้วลบ

อย่างที่ได้กล่าวถึงในตอนแรกว่า ลิเธียมบริสุทธินั้นมีอิเล็กตรอนวงนอกสุดอยู่หนึ่งตัวทำให้มันไม่ค่อยเสถียร จึงพยายามจะทำปฏิกริยากับสารอื่นเพื่อให้อิเล็กตรอนออกไป ตัวเองจะได้อยู่ในภาวะที่เสถียร

การนำนิเกิลออกไซด์หรือโคบอลท์ออกไซด์มาทำปฏิกริยากับลิเธียมด้วยวิธีการแคลไซน์เพื่อให้ได้สารประกอบ lithium-cobalt oxide หรือ lithium-nickel oxide

เมื่อเราได้สารประกอบโลหะออกไซด์ (ลิเธียมจับกับโลหะที่เลือกมาใช้) มาทำเป็นขั้วลบแล้ว หลักการต่อไปคือ เราจะแยกลิเธียมออกจากสารประกอบโลหะออกไซด์

เมื่อเราแยกลิเธียมออกจากสารประกอบโลหะออกไซด์ เราก็จะได้อะตอมของลิเธียมซึ่งจะอยู่ในรูปของลิเธียมไอออนกับอิเล็กตรอน จากนั้นเราก็จะต้องหาทางแยกทิศทางการไหลของตัวลิเธียมไอออนกับอิเล็กตรอนอิสระ ซึ่งลิเธียมไอออนก็จะหาทางกลับเข้าไปจับกับโลหะออกไซด์ โดยผ่านเยื่อกั้นในส่วนของสารละลายอิเล็กโตรไลท์ซึ่งมีคุณสมบัติยอมให้เฉพาะลิเธียมไอออนผ่านได้เท่านั้น ส่วนอิเล็กตรอนซึ่งผ่านเยื่อกั้นดังกล่าวไม่ได้ก็จะไหลไปอีกทางหนึ่ง ซึ่งการไหลของอิเล็กตรอนนี้ก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น

นี่คือคอนเซ็ปท์ว่าเราสร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างไร โดยการแยกอะตอมของลิเธียมออกจากโลหะออกไซด์ของลิเธียม จากนั้นนำอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมของลิเธียมแต่ละอะตอมไปยังวงจรภายนอกเพื่อใช้กระแสไฟฟ้านั่นเอง

นี่คือคอนเซ็ปท์ว่าเราสร้างกระแสไฟฟ้าได้อย่างไร โดยการแยกอะตอมของลิเธียมออกจากโลหะออกไซด์ของลิเธียม จากนั้นนำอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมของลิเธียมแต่ละอะตอมไปยังวงจรภายนอก

…………………………………………..

แล้วตอนใช้ไฟกับตอนแบตหมดแล้วชาร์จไฟเข้าไปในแบตเตอรีจะเป็นอย่างไร ?

เซลล์แบตเตอรีลิเธียมไอออนต้องอาศัยอิเล็กโตรไลท์และกราไฟต์ ซึ่งกราไฟต์มีโครงสร้างแยกเป็นชั้น ๆ  โดยแต่ละชั้นจะจับกันอย่างหลวม ๆ เพื่อที่จะสามารถจับกับลิเธียมไอออนได้อย่างง่ายดาย

โครงสร้างของแบตเตอรี ที่ขั้วบวกของแบตเตอรีจะมีลิเธียมออกไซด์ส่วนขั้วลบของแบตเตอรีจะมีกราไฟต์

แผ่นเยื่อกั้นที่ขวางระหว่างขั้วบวกกับขั้วลบในสารละลายอิเล็กโตรไลท์ระหว่างกราไฟต์และโลหะออกไซด์นั้นจะทำหน้าที่เป็นเหมือนกับประตูควบคุมที่ยอมให้เฉพาะลิเธียมไอออนเท่านั้นผ่านเข้าออกได้แต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนผ่าน

ทีนี้เมื่อเราเสียบปลั๊กชาร์จไฟ  ขั้วบวกของแหล่งจ่ายพลังงานจะดึงดูดอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของลิเธียมที่จับตัวอยู่ในรูปสารประกอบเมทัลออกไซด์ แล้วอิเล็กตรอนเหล่านั้นก็ไหลผ่านไปยังวงจรผ่านนอกเนื่องจากมันไม่สามารถไหลผ่านแผ่นกั้นภายในแบตเตอรีได้นั่นเองเพื่อเข้าไปยังชั้นกราไฟต์ที่อยู่อีกด้านของแบตเตอรี ซึ่งในขณะเดียวกันนั้นเอง ลิเธียมเมื่อเสียอิเล็กตรอนไปแล้วก็กลายเป็นลิเธียมไอออนซึ่งเป็นประจุบวกก็จะถูกเหนี่ยวนำให้ไปยังขั้วลบโดยไหลผ่านสารละลายอิเล็กโตรไลท์ผ่านแผ่นกั้นแล้วก็เข้าไปยังส่วนของกราไฟต์ที่อยู่อีกด้านซึ่งจะถูกดักจับไว้ที่นี่ หลังจากนั้นก็จับกับอิเล็กตรอนที่ก็วิ่งอ้อมเข้ามาสู่บริเวณดังกล่าวเช่นกันรวมกันกลับมาอยู่ในรูปของลิเธียมอะตอมอีกครั้งซึ่งเมื่อจับกันได้จนหมดแล้วก็คือแบตเตอรีดังกล่าวชาร์จไฟเต็มนั่นเอง

ทั้งนี้กราไฟต์ไม่ได้มีส่วนในการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีในเซลล์แบตเตอรีลิเธียมแต่อย่างใด ทำหน้าที่เป็นเพียงที่พักให้ลิเธียมไอออนเท่านั้น

ถ้าหากอุณหภูมิภายในเซลล์แบตเตอรีเพิ่มสูงขึ้นจากความผิดปกติบางอย่าง สารละลายอิเล็กโตรไลท์ก็จะระเหยไป ทำให้แห้งลงแล้วก็จะทำให้เกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วลบกับขั้วบวกซึ่งก็จะทำให้เกิดการลุกไหม้หรือระเบิดได้

ในแบตเตอรีที่ใช้งานจริง กราไฟต์จะถูกเคลือบไว้บนแผ่นอลูมิเนียมฟลอยด์ส่วนเมทัลออกไซด์จะถูกเคลือบไว้บนแผ่นทองแดงซึ่งทั้งอลูมิเนียมและทองแดงจะทำหน้าที่เป็นตัวเก็บกระแสซึ่งทั้งขั้วบวกและขั้วลบนั้นจะง่ายต่อการนำไปใช้ ทองแดงเป็นขั้วลบส่วนอะลูมิเนียมฟลอยด์เป็นขั้วบวก

ประเด็นสำคัญที่เราจะพูดถึงก็คือ  แบตเตอรีลิเธียมสามารถนำไปรีไซเคิลเพื่อนำโลหะและวัสดุตัวนำไฟฟาภายในนั้นกลับมาใช้ใหม่ได้ อย่างเช่น นิกเกิล โคบอลต์ ทองแดง ที่สามารถนำกลับมาใช้ครั้งแล้วครั้งเล่าได้ ส่วนประกอบของแบตเตอรีทีสามารถนำมารีไซเคิลได้คิดเป็นสัดส่วน 95-98% ของตัวแบตเตอรี

อ่านถึงตรงนี้อย่าเพิ่งเบื่อกันไปก่อนนะครับ เพราะแอดเองก็พยายามจะเล่าเรื่องจากสิ่งที่เราเห็น ๆ กันอยู่ในชีวิตประจำวัน แล้วค่อยไล่ย้อนไปจนถึงแหล่งต้นกำเนิดของวัตถุดิบที่นำมาผลิตแบตเตอรีลิเธียมไอออนกันครับ ว่าจะเป็น green energy จริงหรือไม่ มีผลกระทบอะไรมากน้อยแค่ไหน คอยติดตามกันในตอนที่ 2 นะครับ