แบตเตอรี่ทางเลือก กับ ความมั่นคงด้านพลังงาน

แบตเตอรี่ ถือเป็นความมั่นคงด้านพลังงานของประเทศ จึงเป็นที่มาของการเกิด “ศูนย์ความเป็นเลิศด้านแบตเตอรี่ที่ทำจากวัสดุทางเลือก” ในการสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาเพื่อเพิ่มขีดความสามารถด้านการผลิตแบตเตอรี่ภายในประเทศ และลดการพึ่งพาจากภายนอกให้มากที่สุด 

ศูนย์ความเป็นเลิศด้านแบตเตอรี่ที่ทำจากวัสดุทางเลือก อยู่ภายใต้ความร่วมมือของ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ (National Security and Dual-use Technology Center-NSD) สำนักงานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ร่วมกับกระทรวงกลาโหม และจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย

ดร.ศิวรักษ์ ศิวโมกษธรรม ผู้อำนวยการ ศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ (National Security and Dual-use Technology Center-NSD) สำนักงานวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวกับ The Story Thailand ว่า หัวใจสำคัญของการพัฒนาแบตเตอรี่ทางเลือกมี 3 ประการ คือ หนึ่ง ใช้วัสดุที่หาได้ในประเทศหรือภูมิภาคใกล้เคียง สอง มีความปลอดภัยสูง และ สาม เทคโนโลยีสีเขียวซึ่งไม่ทำลายสภาพแวดล้อม และหนึ่งในชิ้นงานที่สำเร็จเป็นต้นแบบแล้ว คือ แบตเตอรี่ทางเลือกจากสังกะสีไอออน (Zinc-ion Battery) ด้วยคุณสมบัติที่สามารถตอบโจทย์สามข้อข้างต้นได้ครบถ้วน

สังกะสี เป็นสายแร่ที่มีอยู่มากในประเทศไทย และยังสามารถนำเข้าจากประเทศเพื่อนบ้านใกล้เคียง เช่น พม่า ถึงแม้ว่าขณะนี้ ทั่วโลกยังนิยมการใช้งานแบตเตอรีลิเธียมไอออน (Lithium-ion Battery) แต่ลิเธียมไอออนเป็นสายแร่หายาก มีอยู่แค่บางพื้นที่ในโลก และกำลังจะหมดไป 

“เคยมีคนคำนวณว่า หากทุกคนหันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้า หรือ อีวี ลิเธียมจะหมดอย่างรวดเร็วเพราะความต้องการที่มากขึ้น ดังนั้น ราคาของลิเธียมไอออนจึงมีแต่สูงขึ้น ปัจจุบัน มีราคาสูงกว่าสังกะสีไอออนราวสิบถึงยี่สิบเท่าตัว” 

สังกะสีไอออนมีความปลอดภัย เพราะเป็นสูตรการผลิตที่หากตัวแบตเตอรี่เกิดชำรุดเสียหาย จะไม่ระเบิด ไม่ติดไฟ ต่างจากลิเธียมไอออนที่เมื่อเกิดการชำรุดไม่ว่าจากการกระแทกหรืออยู่ในอุณหภูมิที่ร้อนจัดเกินไป จะเกิดการลุกไหม้หรือระเบิด เพราะโดยคุณสมบัติของลิเธียมไอออนและสารผสมที่ใช้เป็นสูตรที่ติดไฟได้ง่าย ไม่สามารถดับได้ด้วยน้ำหรือสารเคมีปกติ ต้องใช้สารเคมีพิเศษที่จะไปดับ บางครั้งจึงต้องปล่อยให้ลุกไหม้เองจนหมด

ความเป็นเทคโนโลยีสีเขียว เนื่องจากสังกะสีไม่ติดไฟ จึงสามารถทำลายโดยการฉีกเป็นชิ้นแล้วไปผ่านกระบวนการรีไซเคิลด้วยค่าใช้จ่ายที่ไม่แพงเพื่อนำกลับมาใช้งานใหม่ได้ ซึ่งต้นแบบสังกะสีไอออนที่เอ็นเอสดีพัฒนาสามารถรีไซเคิลได้เกือบร้อยเปอร์เซนต์ เพราะไม่มีส่วนผสมของโลหะหนัก มีเพียงสังกะสีที่เป็นวัตถุหลัก 

ส่วนผสมอื่น เช่น กราฟีน (Graphene) ซึ่งเป็นคาร์บอนที่ผลิตได้จากเศษชีวมวลต่าง ๆ เข่น กะลามะพร้าว กะลาปาล์ม กากกาแฟ มาเผาแปรให้กลายเป็นกราฟีน เป็นนาโนคาร์บอน (Carbon Nanotube) หรือ แมงกานีส (Manganese) เป็นวัสดุที่หาได้ภายในประเทศ

ผลิตภัณฑ์ต้นแบบ ถือว่าได้ผลลัพธ์มีประสิทธิภาพระดับแถวหน้าเมื่อเทียบกับงานวิจัยอื่น ๆ ที่ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติ

“ปกติลิเธียมไอออนจะแบ่งการใช้งานเป็นช่วงอายุที่หนึ่ง (First Life) คือ ใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้าที่ต้องชาร์จบ่อย จึงต้องการแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด เมื่อใช้งานผ่านไปหนึ่งถึงสองปีก็จะโยกมาใช้งานกับแอปพลิเคชันอื่น เช่น เอามาแบ็คอัพโซลาร์เซลล์ เราเรียกว่าเป็นช่วงอายุที่สอง (Second Life) ทีนี้การรีไซเคิลจะยากเพราะค่าใช้จ่ายสูงแถมติดไฟง่าย การเอาไปฝังและทำใหม่จึงคุ้มกว่า ประเด็นคือ ลิเธียมไอออนบางสูตรผสมโลหะหนัก เช่น โคบอลต์ แคดเมียม นิกเกิล ส่วนแบตเตอรี่ทั่วไปอย่างแบตเตอรี่น้ำ แบตเตอรี่แห้งตระกูลตะกั่วกรดซึ่งไม่กรีนอยู่แล้ว มันเป็นพิษทั้งต่อคนและสิ่งแวดล้อม ขณะที่สังกะสีไออนที่เราพัฒนาไม่ได้มีประเด็นอะไรในเรื่องนี้”

ดร.ศิวรักษ์ สรุปว่า ทั้งลิเธียมและสังกะสีต่างมีข้อดีและข้อด้อยคนละอย่าง “คุณสมบัติของลิเธียม คือ เบาแต่อันตราย” ซึ่งทุกคนรู้แต่ต้องใช้เพราะยังหาเทคโนโลยีที่ดีกว่านี้ไม่ได้ ส่วน “คุณสมบัติของสังกะสี คือ ปลอดภัยแต่น้ำหนักมาก” เมื่อเปรียบเทียบด้วยความจุที่เท่ากัน สังกะสีจะหนักกว่าลิเธียมราวสามถึงสี่เท่า จึงเป็นความท้าทายด้านเทคโนโลยีในการวิจัยพัฒนาเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเล็กลง

ดังนั้น ทางออกที่เหมาะสมท่ามกลางข้อจำกัด คือ การเลือกใช้งานแบตเตอรี่แต่ละตระกูลให้เหมาะกับแต่ละแอปพลิเคชัน เช่น สังกะสีไอออนอาจไม่เหมาะใช้งานในรถยนต์เพราะน้ำหนักที่มากและขนาดที่ใหญ่ แต่เหมาะกับการใช้งานตามอาคารบ้านเรือน หรือสถานที่ที่ไม่มีปัญหาเรื่องพื้นที่ น้ำหนัก ขนาด ไม่ต้องการการเคลื่อนย้ายแต่ขอให้มีความปลอดภัยสูง เช่น การดัดแปลงสังกะสีไอออนให้กลายเป็นรั้วบ้านไปด้วย กักเก็บพลังงานไปด้วย หรือบิวต์อินเป็นกำแพงแบตเตอรี่ ใช้เป็นอุปกรณ์แบ็คอัพให้กับเสาไฟฟ้าที่มีระบบโซลาร์เซลล์โดยอาศัยน้ำหนักตัวแบตเตอรี่ในการถ่วงดุลเสาไฟฟ้าให้เสถียรไม่ล้มง่ายไปในตัว การใช้ประโยชน์เป็นระบบสำรองไฟให้กับโรงงาน ยูพีเอส หรือกระทั่งตามแท่นขุดเจาะน้ำมัน เป็นต้น

“สังกะสีไอออนไม่เหมาะสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า (EV) แต่อาจเหมาะกับการใช้งานในสถานีชาร์จ (Charging Station) กรณีถ้าหากว่าลิเธียมมีจำนวนจำกัด ส่วนที่สำคัญก็ใช้ลิเธียม ส่วนที่ไม่จำเป็นก็หาตัวเลือกอื่น ซึ่งแบตเตอรี่ทางเลือกที่เราวิจัยพัฒนาไม่ได้มีแค่สังกะสีไอออน แต่ยังมีเรื่องของโซเดียมไอออน ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือ ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (Supercapacitor) เป็นต้น”

เปิดตำรับโซเดียม…นวัตกรรมทางเลือกเพื่อโลกอีวี

แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (Sodium-ion Battery) เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่ ดร. ศิวรักษ์ มองว่า จะทำให้ประเทศไทยมีความมั่นคงเรื่องของพลังงาน เพราะโซเดียมเป็นสายแร่ที่มีอยู่มากมายบนโลกใบนี้ มีความเก่งเรื่องประสิทธิภาพการชาร์จไฟภายในเวลารวดเร็ว (Fast Charge) และสามารถจ่ายกำลังไฟได้ดี ถึงขั้นมีการประเมินกันว่า หลังจากแร่ลิเธียมหมดไปในอนาคต ตัวเลือกต่อไปน่าจะเป็นโซเดียมหรือไม่ ซึ่งขณะนี้มีหลายประเทศซุ่มทำวิจัยกันอยู่ โดยเชื่อว่าสามารถรองรับตลาดการใช้งานรถยนต์อีวีได้เนื่องจากมีคุณสมบัติใกล้เคียงลิเธียม

“แคทแอล (CATL) บริษัทแบตเตอรี่ยักษใหญ่สัญชาติจีนประกาศว่า ภายใน 2 ปีข้างหน้าจะนำแบตเตอรี่ตระกูลโซเดียมออกจำหน่าย ซึ่ง สวทช. มองว่าหากรอให้ผลิตภัณฑ์ออกมาค่อยหยิบมาทำวิจัยคงไม่ทัน จึงจับมือกับมหาวิทยาลัยขอนแก่นในการทำเรื่องนี้ และพยายามชักชวนคนที่ผลิตหรือทำวิจัยเกี่ยวกับโซเดียมไอออนให้มาร่วมกันสร้างเสริมศักยภาพของบุคลากร ซึ่งทาง ม.ขอนแก่นมีหลักสูตรการเรียนการสอนเรื่องนี้อยู่แล้ว เราเข้าไปสนับสนุนให้เกิดความสนใจที่จะศึกษาวิจัยมากขึ้น”

ขณะเดียวกัน สวทช. มีการพัฒนาสูตรโซเดียมไอออนขึ้นเอง ซึ่งถ้าเทียบในระดับเอกสารการวิจัยถือว่าไม่แพ้ใคร แต่สิ่งที่ต้องวิจัยต่อไป คือ ทำให้มีความเสถียรขึ้น เพราะเมื่อเทียบกับลิเธียมไอออนในเรื่องประสิทธิภาพถือว่าสูสี จะด้อยกว่าก็ตรงจำนวนรอบในการอัดและคลายประจุไฟฟ้า ยกตัวอย่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้กับโทรศัพท์มือถือบางรุ่นสามารถชาร์จเพื่อใช้งานได้ถึงห้าพันรอบ ขณะที่โซเดียมไออนยังอยู่ที่ราวห้าร้อยรอบ จึงต้องทำวิจัยเพิ่มเติมให้ได้สักพันรอบจึงจะถือว่าใช้ได้ดี 

“โซเดียมไอออน ณ ตอนนี้จะคล้ายกับยุคแรกของลิเธียมไอออน คือ การใช้งานสั้น หมดอายุเร็ว จึงต้องใช้ผสมกันแบบไฮบริดไปก่อน คือ ใช้ทั้งสองก้อนนี่แหละ สุดแล้วแต่ใครจะไปคิดสูตรผสมที่ลงตัวออกมา ส่วนสังกะสีไอออนก็เอาไปใช้กับสถานีชาร์จแทน ซึ่งนอกจากแคทแอลที่จะเปิดตัวในอีกสองปีข้างหน้า ก็มีทางสหรัฐอมริกา ยุโรป แคนาดา ที่พัฒนาทั้งสังกะสีและโซเดียม ซึ่งก็ตรงกับแนวทางที่เราจะเดินไปเช่นกัน”  

ผุดโรงงานต้นแบบ…ทางเลือกสู่โมเดลพาณิชย์ยั่งยืน

“ปกติในการทำวิจัย เราจะได้ผลิตภัณฑ์ต้นแบบทำจากมือขนาดเล็กเท่าพาวเบอร์แบงก์ เวลาไปใช้จริงต้องเอาก้อนพาวเวอร์แบงก์มาเรียงต่อกันเป็นหมื่น ๆ เซลล์ ดังนั้น จึงต้องมีโรงงานที่มีศักยภาพพอในการผลิตต้นแบบออกมาในปริมาณมาก แต่โรงงานผลิตแบตเตอรี่ในประเทศไทยมีอยู่ไม่กี่แห่ง และเน้นเรื่องการวิจัยพัฒนาลิเธียมไอออนเป็นหลัก” 

ดร.ศิวรักษ์ กล่าวว่า เอ็นเอสดีได้งบประมาณจากเขตพัฒนาพิเศษภาคตะวันออก (EEC) ราว 200 ล้านบาทในการสร้างโรงงานต้นแบบไม่ใช่เพื่อผลิตขาย แต่เป็นโรงงานเพื่อวิจัยพัฒนาและผลิตต้นแบบผลิตภัณฑ์ทางเลือกที่นำออกสู่การใช้งานจริงได้  

วัตถุประสงค์ของอีอีซี คือ ต้องการให้เกิดการทำงานร่วมกันกับเอกชนในการคิดค้นทดลอง วิจัยและพัฒนาสูตรร่วมกันจนได้ผลลัพธ์ที่ดี จากนั้นให้เอกชนนำไปต่อยอดในลักษณะ “การอนุญาตให้ใช้สิทธิทางเทคโนโลยีเพื่อประโยชน์ทางพาณิชย์ (Licensing Technology)” ขึ้นอยู่ว่าเอกชนจะลงทุนเพิ่มเพื่อทำขายในประเทศ ส่งออกประเทศเพื่อนบ้าน หรือไปต่างประเทศก็ทำได้ ซึ่งมีเอกชนไทยหลายแห่งที่ทำงานร่วมกันอยู่ แต่ก็ไม่ได้ปิดกั้นเอกชนจากต่างประเทศที่จะมาลงทุน 

ตัวโรงงานขณะนี้อยู่ระหว่างการก่อสร้าง ณ เขตนวัตกรรมระเบียงเศรษฐกิจภาคพิเศษ (EECi) กำหนดเสร็จประมาณสิ้นปี 2565 โรงงานนี้จะมีศักยภาพในการผลิตแบตเตอรี่ที่มีหน่วยกักเก็บพลังงานระดับเมกะวัตต์ต่อชั่วโมงได้ภายในเวลาหนึ่งปี หากเทียบจากมาตรฐานปกติที่โซลาร์เซลล์ใช้อยู่ในการกักเก็บพลังงานที่ 5 กิโลวัตต์ต่อชั่วโมง ถือว่าโรงงานมีศักยภาพมากพอต่อการผลิตต้นแบบสำหรับใช้งานด้านต่าง ๆ อาทิ งานด้านแบ็คอัพหรือสำรองไฟ เป็นต้น

“เรายังออกแบบโรงงานนี้ให้เป็นโรงงานอเนกประสงค์ที่ยืดหยุ่นต่อการผลิตแบตเตอรี่จากวัสดุทางเลือกอะไรก็ได้ ซึ่งนอกจากสังกะสี และโซเดียมแล้ว ยังมีการศึกษาในเรื่องของ ตัวเก็บประจุยิ่งยวด หรือ ซูเปอร์คาปาซิเตอร์ (Supercapacitor) เรียกสั้น ๆ ว่า ซูเปอร์แคป ซึ่งเป็นระบบกักเก็บพลังงานอย่างหนึ่งที่อาจไม่ใช่แบตเตอรี่โดยตรง แต่มีคุณสมบัติในการชาร์จและคายประจุที่เร็ว มีอายุการใช้งานยาวนาน จึงเหมาะกับแอปพลิเคชันที่ต้องการการถ่ายเทและขับพลังงานที่มีกำลังแรง เช่น มอเตอร์ไซค์ไฟฟ้า ซึ่งแบตเตอรี่ทั่วไปมักขับพลังงานออกมาไม่ทันเวลามีการกระชากไฟสูง”

โดยเอ็นเอสดีได้รับทุนวิจัยหน่วยงานหลายแห่ง เช่น สำนักงานนโยบายและแผนพลังงาน (สนพ.) การไฟฟ้าฝ่ายผลิตแห่งประเทศไทย (กฟผ.) ในการพัฒนาซูเปอร์แคปที่ผลิตจากเศษชีวมวลซึ่งทำสำเร็จแล้วในห้องทดลอง และกำลังนำมาขยายผลต่อที่โรงงานให้เกิดการผลิตในปริมาณมากขึ้นเพื่อใช้ในสนามจริง ซึ่งรถยนต์อีวีเองก็สามารถนำซูเปอร์แคปไปใช้ได้ รถบรรทุกหากใส่ซูเปอร์แคปเข้าไปจะข่วยขับให้รถมีกำลังเยอะขึ้น หรือแนวคิดการใช้งานซูเปอร์แคปกับรถโดยสารประจำทางแทนการใช้แบตเตอรี่ เนื่องจากมีระยะทางการวิ่งระหว่างสถานีที่ไม่ไกล ซึ่งเพียงพอต่อการคายประจุให้รถวิ่งจนถึงสถานีถัดไป และยังสามารถชาร์จไฟเพิ่มเพื่อเดินรถต่อได้ในเวลาที่รวดเร็ว

“สังกะสี โซเดียม และซูเปอร์แคป ถือว่าสำเร็จแล้วในห้องทดลอง ต่อไปคือการขยายผลให้ใหญ่ขึ้นในระดับการผลิตในโรงงาน ซึ่งสังกะสีไอออน และซูเปอร์แคปเราทำมาระดับหนึ่งแล้วน่าจะอยู่ในช่วงที่ขยายผลต่อได้ ส่วนโซเดียมไอออนอาจต้องเพิ่มจำนวนรอบการใช้งานจากห้าร้อยเป็นหนึ่งพันอย่างที่บอก แต่สุดท้ายขึ้นอยู่กับเอกชนหากพอใจที่ตัวเลขห้าร้อย เราอาจขยายผลเรื่องโซเดียมได้ก่อนก็เป็นได้” 

ดร. ศิวรักษ์ ยังเติมข้อมูลให้อีกว่านอกจาก สังกะสี โซเดียม และซูเปอร์แคปแล้ว ยังคงพยายามค้นคว้าสูตรอื่นเพิ่มเติม เช่น โปแตสเซียมไอออน ซึ่งก็มีการวิจัยร่วมกับหลาย ๆ ที่เช่นกัน

เสริมแกร่งพันธมิตร…เร่งสร้างมูลค่าทางเศรษฐกิจ 

ดร. ศิวรักษ์ ชี้ให้เห็นภาพว่า มูลค่าตลาด (Market Cap) ของแบตเตอรี่ใหญ่มาก บริษัทใหญ่ ๆ ยกตัวอย่าง GPSC หรือ Energy Absolute ต่างพยายามลงทุนเรื่องแบตเตอรี่ในประเทศไทยซึ่งต้องใช้เม็ดเงินสูงมาก ดังนั้น การที่อีอีซีเลือกที่จะสร้างโรงงานต้นแบบ ส่วนหนึ่งก็เพราะมองเห็นว่า มูลค่าตลาดสูงมากจริง ๆ ยิ่งถ้ามองให้เห็นแบบทั้งอีโคซิสเต็มส์

“ลองคิดดูว่าถ้าอุตสาหกรรมยานยนต์เปลี่ยนเป็นไฟฟ้าจริง มันไม่ใช่แค่การทรานส์ฟอร์มธุรกิจ แต่คือการถ่ายโอนโครงสร้างอำนาจผู้ถือครองพลังงานน้ำมันของทั้งโลกไปสู่กลุ่มที่ทำเรื่องของพลังงานไฟฟ้า กลุ่มที่ทำเรื่องของแบตเตอรี่ และยังมีกลุ่มที่อยู่ในวงการผลิตวัสดุประกอบแบตเตอรี่อีกด้วย”

มองกลับมาที่ประเทศไทยไทยคือดีทรอยต์ของเอเชีย แต่อาจตายได้หากรถยนต์เปลี่ยนเป็นไฟฟ้า ทุกอย่างเปลี่ยนหมด เพราะรถยนต์ไฟฟ้าสำคัญที่สุดคือแบตเตอรี่ เรียกว่า 60% ของตัวรถคือแบตเตอรี่ 

“คำถามคือ ถ้าเราผลิตแบตเตอรี่ที่เป็นกลไกหลักของรถยนต์ไฟฟ้าเองไม่ได้ ต้องซื้ออย่างเดียวจะเป็นอย่างไร คำนวณผลกระทบได้เลยว่ามหาศาลแค่ไหน อุตสาหกรรมคงไปต่อไม่ได้ ต้องหาวิธีแก้ปัญหา จะพัฒนาขึ้นเอง จะไปซื้อเทคโนโลยีที่พัฒนาเสร็จสมบูรณ์พร้อมใช้งาน (Turnkey) แล้วมาตั้งโรงงานในประเทศ หรือ จะดึงต่างชาติมาลงทุน”

แบตเตอรี่ทางเลือกเป็นเรื่องสำคัญที่ต้องทำ อาทิ การจับมือกับจุฬาฯ ม.ขอนแก่น สถาบันวิทยสิริเมธี (VISTEC) ซึ่งตั้งโดย ปตท. เพื่อพัฒนางานวิจัยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ ความร่วมมือกับมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือวิจัยพัฒนาเรื่องของแบตเตอรี่เหลว (Flow Battery) ซึ่งอาจไม่ใช่ตระกูลไอออนโดยตรง

“เราพยายามร่วมมือกับนักวิจัยทุกคนเพื่อผลักดันไปสู่การผลิตในโรงงานให้ได้ ในต่างประเทศเราก็ยังมีความร่วมมือกับสหภาพยุโรป (EU) ทางจุฬาฯ ก็ได้รับทุนจากสถาบันในยุโรป โดยผลงานวิจัยของเราถือว่าอยู่แถวหน้าทัดเทียมกับต่างชาติได้เลย ต่างจากอดีตที่งานวิจัยของเราตามหลังเขาเป็นสิบปี เขาออกมาเป็นผลิตภัณฑ์สำเร็จแล้วเราจึงคิดทำ แต่ตอนนี้เราทำดักไว้ก่อน ราคาลิเธียมไม่มีทางถูกลง เราจึงต้องพยายามสร้างศักยภาพตรงนี้  ถ้าเราผลิตได้เองโดยไม่ต้องพึ่งพาต่างประเทศจะสุดยอดมาก และถึงแม้โรงงานต้นแบบที่ได้มาถือว่าช้าไปหน่อยแต่ก็ยังทัน”