จะเป็นอย่างไร? ถ้าแบตเตอรี่ชาร์จเร็วและใช้ได้นานขึ้น

เขียนบทความโดย RISC | 2 ปีที่แล้ว

แก้ไขล่าสุด : 2 ปีที่แล้ว

ปัจจุบันกระแสรถยนต์ไฟฟ้า (Electric Vehicle, EV) กำลังบูมเป็นอย่างมากในบ้านเรา เห็นได้จากโฆษณาหรือตามท้องถนน มีปริมาณรถยนต์ไฟฟ้าเพิ่มมากขึ้น ซึ่งสาเหตุหลักๆ มาจากราคาน้ำมันที่แพงขึ้น บวกกับการตระหนักถึงเรื่องปัญหาสิ่งแวดล้อม

ถึงแม้จะได้รับความนิยมเป็นอย่างมาก แต่ปัญหาและข้อจำกัดของ EV ที่หลายคนกังวลจนส่งผลต่อการตัดสินใจซื้อก็ยังมีอยู่ นั่นก็คือเรื่อง “ระยะทางที่สามารถขับขี่ และการชาร์จแบตเตอรี่ที่ใช้เวลานานต่อการชาร์จแต่ละครั้ง” ซึ่งขีดความสามารถของแบตเตอรี่ถูกหยิบยกขึ้นมาเป็นคำถามอยู่ตลอด ว่าในอนาคตอันใกล้การพัฒนาแบตเตอรี่เพื่อลดข้อจำกัดดังกล่าว จะสามารถตอบโจทย์ผู้ใช้ได้มากน้อยแค่ไหน

แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าที่นิยมใช้ในปัจจุบันจะเป็น “แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน” (Lithium ion, Li-Ion) ซึ่งจะประกอบไปด้วย ​
• ขั้วไฟฟ้า แบ่งเป็นขั้วไฟฟ้าแคโทด (ขั้วบวก) มักทำจากโลหะลิเทียม ได้แก่ LiMO₂, LiM₂O₄ และขั้วไฟฟ้าแอโนด (ขั้วลบ)​
• เยื่อเลือกผ่าน (Separator) ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้ขั้วแคโทดสัมผัสกับขั้วแอโนดจนเกิดการลัดวงจร​
• สารละลายอิเล็คโทรไลต์ เป็นสารละลายเกลือของลิเทียม เช่น  LiPF₆ หรือ LiBF₄ ในตัวทำละลาย ซึ่งเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ยอมให้ลิเทียมไอออน (Li⁺) ไหลผ่าน แต่ไม่ยอมให้อิเล็กตรอนไหลผ่าน​
• Current Collector เป็นโลหะตัวนำที่ทำหน้าที่ให้อิเล็กตรอนไหลผ่านออกสู่วงจรภายนอกและให้พลังงานไฟฟ้าออกมา​

ส่วนการทำงานของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนนั้นเกิดขึ้นโดยอาศัยหลักการทางไฟฟ้าเคมี เมื่อทำการชาร์จ (อัดประจุ) Li⁺ จะไหลออกจากขั้วแคโทดผ่านสารละลายอิเล็คโทรไลต์ไปยังขั้วแอโนด และเกิดการเก็บประจุไฟฟ้าไว้ที่นี่ ขณะที่การใช้งานแบตเตอรี่ (คายประจุ) Li⁺ ที่สะสมอยู่ที่ขั้วแอโนดจะไหลกลับไปอยู่ที่ขั้วแคโทดอีกครั้ง โดยไหลผ่าน Current Collector เพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าออกมา เมื่อใดที่ Li⁺ ไหลกลับไปยังขั้วไฟฟ้าแอโนดจนหมด ปฏิกิริยาเคมีก็จะสิ้นสุดลง หรือที่เราเรียกกันว่าแบตเตอรี่หมด หากต้องการนำแบตเตอรี่ไปใช้ใหม่อีก ก็ต้องอัดประจุไฟฟ้าอีกครั้ง เป็นเช่นนี้ต่อเนื่องไปจนกว่าแบตเตอรี่จะหมดอายุการใช้งาน แต่อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนก็ยังมีข้อจำกัดในเรื่องของอายุการใช้งานที่มีจำกัด สามารถใช้งานได้ประมาณ 500 รอบการอัดประจุ ก่อนที่จะแบตเตอรี่เสื่อม นอกจากนี้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ติดไฟได้ เมื่อถูกความร้อนสูงเกินไป อาจทำให้เกิดเพลิงไหม้ได้

จากข้อจำกัดของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ที่ต้องใช้เวลานานในการอัดประจุนานและความจุในการเก็บประจุไฟฟ้าน้อย จึงส่งผลให้รถยนต์ไฟฟ้าวิ่งได้ระยะสั้นและใช้เวลาในการชาร์จนานอีกด้วย จากข้อจำกัดนี้ จึงมีการพัฒนาประสิทธิภาพด้วยการนำ “กราฟีน” เข้ามาเป็นส่วนผสม

ด้วยคุณสมบัติอันโดดเด่นของกราฟีนในด้านการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ จึงมีการ “พัฒนาแบตเตอรี่จากกราฟีน” โดยใช้กราฟีนในขั้วแคโทด ซึ่งพบว่า กราฟีนช่วยปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้เป็นอย่างดี ไม่ว่าจะเป็นการ... ​
• ระยะเวลาการชาร์จได้เร็วขึ้น​
• แบตเตอรี่มีความหนาแน่นของพลังงานเพิ่มขึ้น​
• ทำให้จัดเก็บพลังงานได้ทนนานกว่าถึงแม้จะอยู่ในสภาวะอุณภูมิที่ต่ำ แบตเตอรี่สามารถทำงานได้ปกติไม่มีการคลายประจุ​
• เกิดความร้อนน้อยกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนระหว่างการอัดประจุ​

โดยผู้ผลิตแบตเตอรี่กราฟีนจากสหรัฐอเมริกาอย่าง Real Graphene ประสบความสำเร็จในการพัฒนาแบตเตอรี่ด้วยคุณสมบัติ “ชาร์จเร็ว–จุเยอะ” โดยใช้เวลาชาร์จจาก 0 - 100% โดยใช้เวลาเพียง 20 นาทีเท่านั้น ขณะที่แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนใช้เวลาชาร์จเฉลี่ยราวๆ 90 นาที นอกจากนี้ ยังมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า รองรับการชาร์จได้มากถึง 1,500 รอบ รวมทั้งยังมีความปลอดภัยขณะชาร์จ เนื่องจากมีความร้อนเกิดขึ้นน้อย

เนื้อหาโดย คุณ สุพรรณภางค์ รักษาวงค์ นักวิจัยวัสดุ RISC

อ้างอิงข้อมูลจาก https://properea.com/graphene-batteries-18-03-2022/