“แบตเตอรี่กราฟีน” อนาคตใหม่ของแบตเตอรี่รถ EV ฝีมือคนไทย !! | TNN Tech Reports

รถยนต์พลังงานไฟฟ้า หรือรถ EV ถือเป็นหนึ่งเทรนด์ที่ผู้คนทั่วโลกให้ความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีมานี้ เมื่อความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าสูงขึ้น หนึ่งสิ่งที่ตามมาก็คือความเสี่ยงที่อาจจจะเกิดภาวะขาดแคลนแบตเตอรี่ลิเทียมไออน ซึ่งถือเป็นหัวใจของรถยนต์ไฟฟ้าเลยก็ว่าได้ เนื่องจากเป็นแหล่งกักเก็บพลังงานของตัวรถ รวมถึงยังมีการใช้แบตเตอรี่ลิเทียมไออนนี้ในอุปกรณ์อื่น ๆ ด้วย เช่น สมาร์ตโฟน โน้ตบุ้ก อุปกรณ์ไร้สายต่าง ๆ  

"สาเหตุมาจากการขาดแคลนแร่ลิเทียม หนึ่งวัสดุสำคัญที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน"

ข้อมูลจาก Visualcapitalist สื่อด้านเทคโนโลยี เศรษฐกิจ และการลงทุน ระบุว่า ในปี 2021 กำลังการผลิตแร่ลิเทียมทั่วโลก อยู่ที่ 540,000 ตัน เป็นความต้องการใช้แร่ลิเทียมในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่อยู่ที่ร้อยละ 74 เพิ่มสูงขึ้นจากร้อยละ 23 ในปี 2010

"คาดการณ์ว่าความต้องการลิเทียมจะเพิ่มขึ้น 3 เท่า หรือ  1.5 ล้านตัน ในปี 2025 และมากกว่า 3 ล้านตันในปี 2030"

กราฟีนคืออะไร ?

กราฟีน เป็นวัสดุยุคใหม่ที่ถูกค้นพบครั้งแรก เมื่อปี 2004 โดย อังเดร ไกม์ (Andre Geim) และ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ (Konstantin Novoselov) อาจารย์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ สหราชอาณาจักร ซึ่งการค้นพบนี้ก็ทำให้พวกเขาได้รับรางวัลระดับโลก โนเบล ไพรซ์ (Noble Prize) สาขาฟิสิกส์ ปี 2010 

ลักษณะของกราฟีนจะประกอบด้วยชั้นคาร์บอนอะตอมเพียง 1 ชั้น เรียงต่อกันเป็นโครงสร้าง 2 มิติ เหมือนตาข่ายรูป 6 เหลี่ยมคล้ายกับรังผึ้ง มีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ต้องส่องด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์  หรือหากจะเปรียบเทียบคือ กราฟีน มีขนาดเล็กกว่าเส้นผมคนเราเกือบ 3 แสนเท่า

ซึ่งหากนำกราฟีนมาซ้อนกันหลาย ๆ ชั้น จะเรียกว่า กราไฟต์ มักจะนำมาเป็นไส้ดินสอทั่ว ๆ ไปที่ใช้ขีดเขียนลงในกระดาษ น้ำมันหล่อลื่นบางชนิด และถ่านไฟฉายนั่นเอง หากจะยกตัวอย่างให้เห็นภาพชัดขึ้นก็คือ กราไฟต์จะมีลักษณะคล้ายกับคอนโดมิเนียมที่มีหลายชั้น ต่อกันสูงขึ้นไป และในแต่ละชั้นก็คือกราฟีนนั่นเอง 

นอกจากจุดเด่นของกราฟีนที่มีความแข็งแกร่งมากกว่าเพชรแล้ว ยังเป็นหนึ่งในวัสดุที่มีความบาง สามารถนำไฟฟ้าและนำความร้อนได้ดีที่สุดในโลก จึงเหมาะที่จะใช้ในการทำแบตเตอรี่หรือทำตัวกักเก็บประจุไฟฟ้าในอนาคตได้ ที่สำคัญยังมีมูลค่าสูงถึงกิโลกรัมละ 1 ล้านบาท 

"กราฟีนถูกนำมาใช้ประโยชน์ในหลายอุตสาหกรรม ทั้งเป็นส่วนผสมของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ หรือส่วนผสมอุปกรณ์ต่าง ๆ โดยตัวอย่างของผลิตภัณฑ์จากกราฟีนที่ใกล้ตัวและพบเห็นได้ในชีวิตประจำวัน เช่น ชิปคอมพิวเตอร์ เฟรมจักรยาน หรือไม้เทนนิส"

แบตเตอรี่จากกราฟีน

หนึ่งในแบตเตอรี่รูปแบบใหม่ที่ถูกคิดค้นและพัฒนาขึ้นด้วยฝีมือคนไทย คือ แบตเตอรี่จากกราฟีน ผลงานของทีมวิจัยคณะวิทยาศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าเจ้าคุณทหารลาดกระบัง (สจล.) ซึ่งนอกจากจะเป็นการคิดค้นแบตเตอรี่กราฟีน สำเร็จครั้งแรกในประเทศไทยแล้ว ที่นี่ยังเป็นที่ตั้งของโรงงานต้นแบบผลิตกราฟีนแห่งเดียวในประเทศไทยด้วย

ที่มาของการพัฒนาต้นแบบแบตเตอรี่กราฟีน สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากความพยายามในการเพิ่มคุณสมบัติของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้า จากเดิมที่เป็นแบตเตอรี่ลิเทียมจะมีจุดอ่อน เช่น อัตราการชาร์จยังไม่รวดเร็ว ตัวแบตสามารถติดไฟได้ ที่สำคัญคือมีราคาสูง

ขณะที่เมื่อใช้กราฟีนเป็นวัสดุสำคัญในแบตเตอรี่จะตอบโจทย์ข้อด้อยเหล่านี้ได้ ไม่ว่าจะเป็นความสามารถในการกักเก็บประจุไฟฟ้าได้มากขึ้น มีอัตราการอัดประจุได้รวดเร็วขึ้นจากแบตเตอรี่แบบเดิม หรือ Fast charge ไม่ติดไฟไม่ระเบิดและราคาถูก เนื่องจากเป็นวัสดุที่สังเคราะห์ได้เอง

วิธีการสร้างแบตเตอรี่จากกราฟีน

กระบวนการสร้างแบตเตอรี่จากกราฟีนทั้งหมดมีอยู่ 2 ส่วน  

• ส่วนแรก การผลิตกราฟีนจากโรงงานต้นแบบ 
• ส่วนที่สอง นำกราฟีนที่ได้มาพัฒนาในห้องทดลองเพื่อให้ได้มาซึ่งผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ รวมถึงแบตเตอรี่กราฟีน

ในส่วนแรก กระบวนการผลิตกราฟีนในโรงงาน จะใช้กลไกเชิงเคมีหรือการทำปฏิกิริยาของสารเคมีต่าง ๆ 

• ในถังที่ 1 จะใช้สารตั้งต้นคือ กราไฟต์ ผสมกับสารเคมีที่เป็นสูตรที่ทีมวิจัยคิดค้นเพื่อทำให้โครงสร้างของกราไฟต์นั้นอ่อนตัวลง โดยกราไฟต์นี้นำมาจากหลายแหล่ง ทั้งแร่ธรรมชาติ สังเคราะห์เอง  หรือกราไฟต์ที่ถูกทิ้งเป็นขยะจากโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ เช่น โรงงานชิ้นส่วนรถยนต์ หรือหากนำเข้าราคาก็จะอยู่ที่ 30-3,000 บาทต่อกิโลกรัม

• ถังที่ 2 จะเป็นส่วนการล้างสารเคมีออกจากตัวกราไฟต์

• ขั้นที่ 3 จะเป็นการใช้อัลตราโซนิก หรือการสั่นสะเทือนด้วยพลังงานสูง เพื่อแยกตัวกราไฟต์ออกจากกัน จนได้เป็นชั้นบาง ๆ คือ กราฟีน แล้วนำไปผสมกับน้ำกรองสะอาดเพื่อใช้งานต่อไป

ในส่วนที่ 2 การนำกราฟีนที่ได้ มาขึ้นรูปเป็นก้อนแบตเตอรี่ภายในห้องทดลอง ซึ่งแบตเตอรี่จะอยู่ใน 2 ลักษณะคือ แบบเม็ดกระดุมและแบบทรงกระบอก 

• กำลังการผลิตกราฟีนของโรงงานต้นแบบอยู่ที่ 200 กรัม ต่อ 8 ชั่วโมง หรือหากคิดเป็นต่อเดือน จะได้กราฟีนประมาณ 10-15 กิโลกรัม  
• ในแบตเตอรี่ 1 ก้อน จะใช้กราฟีนเป็นส่วนผสมเพียง 0.1 - 0.2 กรัม นั่นหมายความว่า หากใช้กราฟีน 1 กก. จะสามารถผลิตแบตเตอรี่ได้ประมาณ 5,000-10,000 ลูก 
• เมื่ออยู่ภายใต้ระบบเครื่องจักรการผลิตในโรงงานขนาดใหญ่ แต่ในเบื้องต้นของการพัฒนาแบตเตอรี่ต้นแบบของทีมวิจัยขณะนี้สามารถผลิตแบตเตอรี่ได้ 20 ลูกต่อสัปดาห์ 

แผนการพัฒนาแบตเตอรี่จากกราฟีน

ทีมวิจัย สจล.ได้วางแผนการพัฒนาแบตเตอรี่กราฟีนไว้เป็น 4 ระยะ คือ 

1. พัฒนาโรงงานและผลิตกราฟีนได้เอง

2. พัฒนาต้นแบบแบตเตอรี่กราฟีน

3. พัฒนาแบตเตอรี่กราฟีนให้ใช้ได้กับรถมอเตอร์ไซค์ไฟฟ้า

4. พัฒนาแบตเตอรี่กราฟีนสำหรับใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า

ซึ่งระยะที่ 1 และ 2 ทำสำเร็จแล้ว ต่อไปจึงมุ่งเป้าสู่การใช้งานแบตเตอรี่กราฟีนกับรถมอเตอร์ไซค์ไฟฟ้าขนาดเล็ก

แม้ว่าแบตเตอรี่กราฟีนนี้ยังเป็นเพียงผลงานต้นแบบ แต่การพัฒนาจะยังไม่หยุดแค่นี้ ด้วยเป้าหมายที่ชัดเจนของทีมวิจัย และการสนับสนุนอย่างเต็มกำลังของสถาบันการศึกษา ตลอดจนแรงผลักดันจากหน่วยงานที่เกี่ยวข้องที่มองเห็นโอกาสเกิดขึ้นของตลาดแบตเตอรี่กราฟีนในประเทศ จนอาจนำไปสู่การผลิตในระดับอุตสาหกรรม เชื่อว่าอีกไม่นานเราจะได้เห็นแบตเตอรี่กราฟีนที่พร้อมใช้งานกับรถยนต์ EV ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวแปรที่จะช่วยลดต้นทุนราคาของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าลงได้

และแน่นอนว่าในฝั่งของวัสดุมหัศจรรย์มูลค่าสูงอย่าง กราฟีน ที่ประเทศไทยก็สามารถผลิตได้เอง จะนำไปสู่โอกาสของการสร้างมูลค่าทางสังคมและเศรษฐกิจ จากการต่อยอดไปใช้ในเทคโนโลยีนวัตกรรมอื่น ๆ