แบตเตอรี่โซลิดสเตต(Solid-State Battery) คืออะไร ทำไมถึงเป็นจุดเปลี่ยนรถยนต์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่ที่นิยมใช้งานในปัจจุบันจะเป็นแบบ Lithium-ion แต่ด้วยข้อจำกัดหลายอย่างเช่น มีน้ำหนักที่มาก อาจติดไฟเมื่อชำรุด จึงมีการคิดค้นและพัฒนาแบตเตอรี่แบบ Solid-state ขึ้นมาที่จะมาแก้จุดอ่อนของแบตเตอรี่แบบ Lithium-ion ได้โดยทำให้แบบ Solid-state มีขนาดที่เล็กกว่า น้ำหนักเบากว่า จุดไฟได้มากกว่า มีอายุการใช้งานที่นานกว่า และทำให้ Solid-state เป็นจุดเปลี่ยนของอุตสาหกรรมอีกครั้งโดยเฉพาะรถยนต์ EV

แบตเตอรี่แบบ Lithium-ion ต่างจากแบตเตอรี่แบบ Solid-State อย่างไร?

     เริ่มจากเข้าใจพื้นฐานการทำงานของ Lithium-ion กันก่อนว่าทำงานอย่างไร โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่เป็นเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่มีตัวแบ่งระหว่างขั้วไฟฟ้าของเซลล์เพื่อไม่ให้เกิดปฏิกิริยาต่อกัน โดยมี 

• ขั้วบวก(Cathode)
• ขั้วลบ(Anode)
• อิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) เป็นสารที่มีอนุภาคทำให้ประจุพร้อมเคลื่อนที่เกิดกระแสไฟฟ้า ในวงจรไฟฟ้านั้น Cathode และ Anode จะต้องอยู่ห่างแตะกันไม่ได้ เป็นการป้องกันการลัดวงจร ซึ่งอิเล็กโทรไลต์เองก็ทำตัวเป็นตัวแยกขั้ว(Seperator) ด้วย 

     แบตเตอรี่จะทำหน้าที่ 2 อย่างด้วยกันคือจ่ายไฟกับรับไฟ หากแบตเตอรี่จ่ายกระแสไฟฟ้าประจุไอออนจะวิ่งจากขั้วลบไปยังขั้วบวก ในทางกลับกันหากต้องการชาร์จไฟกลับเข้าไปเราก็จ่ายไฟไปยังขั้วบวก จากนั้นประจุไอออนจะวิ่งจากขั้วบวกไปยังขั้วลบ ในแบตเตอรี่แบบ Lithium-ion นั้นจะใช้ Seperator เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ซึ่งเป็นของเหลวหรือเจลที่มีจุดเดือดต่ำ ทำให้ไม่นำกระแสไฟฟ้า สามารถใช้เป็นตัวกลางในการกั้นเอาไว้ได้(Seperator) ได้ การใช้อิเล็กโทรไลต์มาเป็นตัวแบ่งนั้นจำเป็นต้องใช้ระยะห่างพอสมควร เพราะหากออกแบบให้ชิดกันเกินไป ระหว่างที่แบตเตอรี่ทำงานอยู่จะเกิดเส้นใย Dendrites ที่เชื่อมจากขั้วลบไปยังขั้วบวกได้ หากสองขั้วเชื่อมหากันได้จะทำให้เกิดการลัดวงจร ด้วยข้อจำกัดนี้เองทำให้เราไม่สามารถออกแบบให้สองขั้วอยู่ใกล้กันเกินไปได้ ทำให้ต้องมีพื้นที่ระหว่างขั้วบวกและลบพอสมควร

     การใช้ของเหลวมาเป็นตัวแบ่งนั้นจะใช้พื้นที่ที่ค่อนข้างมาก ด้วยข้อจำกัด Seperator ของ Lithium-ion นี้เองทำให้มีการคิดค้นนำสารอื่นที่ดีกว่ามาทดแทนของเดิม นั้นคือซิลิก้า(Silica) ซึ่งพบได้มากในทรายหรือแก้วนั้นเอง ด้วยคุณสมบัติของซิลิก้าที่ไม่นำกระแสไฟฟ้า ทำให้เหมาะที่จะนำมาใช้เป็นตัวแยกขั้ว(Seperator) ได้เป็นอย่างดีจึงเป็นที่มาของคำว่า Solid ที่แปลว่าของแข็งนั้นเอง  

Solid-state VS Lithium-ion Battery | ที่มา

Solid-state ดีกว่า Lithium-ion อย่างไร?

เก็บประจุได้มากกว่า: การใช้อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลว(Liquid) มาเป็น Seperator จะใช้พื้นที่ค่อนข้างมาก ทำให้ขนาดของแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ ซึ่งหากเทียบแบตเตอรี่ที่ขนาดเท่ากันระหว่าง Lithium-ion และ Solid-state พบว่าแบตเตอรี่ Solid-state สามารถเก็บความจุได้มากกว่าเพราะใช้ Seperator เป็นของแข็งซึ่งใช้พื้นที่น้อยกว่า

ชาร์จได้เร็วขึ้น: เนื่องจาก Solid-state ได้เปลี่ยน Seperator จากของเหลวเป็นของแข็งทำให้มีความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นทำให้ชาร์จเร็วขึ้นมีและมีอายุการใช้งานที่นานขึ้น

แบตเตอรี่ Lithium-ion มีโอกาสระเบิดหรือหยุดทำงานได้: เนื่องจากสารอิเล็กโทรไลต์เป็นของเหลวทำให้อยู่ในที่อากาศร้อนมากๆจะเกิดการขยายตัวพองออกมากและทำให้เกิดการระเบิดได้ หรือในกรณีที่อากาศเย็นมากอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลวก็จะกลายเป็นของแข็งทำให้ไม่สามารถเกิดการถ่ายเทประจุได้ก็ทำให้แบตเตอรี่ไม่ทำงาน

     แม้ว่าแบตเตอรี่ Solid-state จะมีข้อดีมากมาย แต่หนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุดคือราคาที่ค่อนข้างแพง เพราะต้องมีการลงทุนสร้างโรงงานหรือเครื่องจักรใหม่ๆเพื่อผลิตแบตเตอรี่ ต่างจากแบตเตอรี่แบบ Lithium-ion ที่มีโรงงานพร้อมอยู่แล้วทำให้ได้ต้นทุนที่ถูกกว่า และอีกปัญหาคืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งมีโอกาสที่จะแตกร้าวและเกิดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าได้ ซึ่งผู้พัฒนาต่างคิดค้นและหาวิธีพัฒนาอยู่ในขณะนี้ ปัจจุบันแบตเตอรี่แบบ Solid-state อยู่ในช่วยวิจัยและทดลองโดยเฉพาะในรถยนต์ไฟฟ้าอยู่ หากผู้พัฒนารายใดสามารถพัฒนาได้เสร็จก่อน คืออาจเป็นจุดเปลี่ยนของวงการรถยนต์ไฟฟ้าอีกครั้ง