แบตเตอรี่กับ BEV

 ซึ่งในเวลานั้นก็มองว่ารถ HEV (Hybrid Electric Vehicle) หรือ PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) ยังน่าจะเป็นทางเลือกที่เหมาะกว่าในระยะอันสั้นนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าต้องซื้อรถคันแรกและคันเดียวของครอบครัว ในปีที่ผ่านมาก็มีวิวัฒนาการต่าง ๆ เกิดขึ้นมากมาย ผมขออนุญาตเล่าเฉพาะในส่วนที่ผมได้สัมผัสนะครับ

ขอเริ่มจากแบตเตอรี่ก่อนเลยนะครับ เพื่อเป็นการฉลองรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปีนี้ ที่ผู้ให้กำเนิดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้รับรางวัลทั้งสามท่าน โดยเริ่มจาก Stanley Whittingham นักวิจัยที่ทำงานกับ Exxon ในช่วงค.ศ. 1970 ที่เกิดวิกฤตการณ์น้ำมันครั้งแรกของโลก บริษัทต้นสังกัดได้ขอให้ศึกษาทางเลือกอื่นที่จะสามารถมาทดแทนน้ำมัน เริ่มจากการศึกษาหาโลหะที่มีความนำยิ่งยวด (superconductor) และอะตอมที่สามารถที่จะปลดปล่อยแล้วกลับมาประกบตัวได้ใหม่ (intercalation) หรือพูดง่าย ๆ คือสารที่แยกตัวแล้วประกอบตัวกลับได้โดยกระบวนการเคมีง่าย ๆ เขาก็พบว่า เมื่อใช้ลิเธียมเป็นขั้วบวก ไททาเนียมไดซัลไฟด์เป็นขั้วลบ เราสามารถจะทำแบตเตอรี่ที่รีชาร์จได้เป็นครั้งแรกของโลกที่อุณหภูมิห้อง อันเป็นการค้นพบที่สำคัญ เพราะปกติแล้วปฏิกิริยาย้อนกลับจะต้องทำในภาวะเฉพาะ เช่นอุณหภูมิสูงมากหรือความดันสูงมาก และต้องใส่พลังงานเข้าไปมาก การค้นพบครั้งนี้ แม้แต่บริษัทต้นสังกัดก็ตื่นเต้นและคิดว่าจะเป็นแหล่งพลังงานแหล่งใหม่ที่สำคัญของโลก จนกระทั่งราคาน้ำมันตกต่ำในทศวรรษต่อมาทำให้ Exxon ล้มเลิกความคิดนี้ไป

 ศาสตราจารย์ John Goodenough ซึ่งทำงานวิจัยอยู่ที่ Oxford ในเวลานั้น ได้นำมาศึกษาต่อด้วยการเปลี่ยนขั้วลบเป็นโคบอลต์ออกไซด์ ทำให้สามารถเพิ่มแรงดัน (voltage) ขึ้นได้เป็นเท่าตัวในที่สุด

ต่อจากนั้น ช่วงที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (gadget) ของญี่ปุ่นเฟื่องฟูประมาณปลายทศวรรษ 80 Akira Yoshino จาก Asahi Kansai Corp ก็ได้นำงานของ ศาสตราจารย์ Goodenough มาต่อยอดเพิ่มเติมโดยเปลี่ยนขั้วบวกเป็นกลุ่มคาร์บอนหรือถ่าน (coke) จากการผลิตน้ำมัน ทำให้แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้นานขึ้น มีความปลอดภัยมากขึ้น (ติดไฟยากขึ้น) และมีน้ำหนักเบา และต่อมาบริษัทโซนี่ จึงได้นำมาใส่ในกล้องวีดีโอ โทรศัพท์บ้านไร้สาย จนกระทั่งปัจจุบันเรานำมาใช้ในโทรศัพท์มือถือ แท็บแล็ต โน้ตบุ๊คและแม้กระทั่งรถยนต์ไฟฟ้า

ที่น่าสังเกตคือ ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสองในสามเป็นนักวิจัยจากบริษัทเอกชน ซึ่งย่อมหมายถึงการใช้งานได้จริงของงานวิจัยในเชิงพาณิชย์ จึงเป็นเรื่องที่น่ายินดีกับมนุษยชาติจากผลงานของนักวิจัยทั้งสามท่าน

ในปัจจุบัน สารที่ใช้ทำขั้วบวกขั้วลบมีความหลากหลายมาก และมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้แบตเตอรี่มีกำลังดีขึ้น ชาร์จเร็วขึ้น สามารถชาร์จได้เกินพันครั้งโดยไม่เสื่อม และใช้งานได้นานขึ้น แต่อุปสรรคที่สำคัญคือรอยต่อระหว่างขั้วบวกและขั้วลบในแบตเตอรี่ หรืออิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) ที่ยังมีสภาวะเป็นของเหลว ลิเธียมซึ่งเป็นเกลือจำพวกหนึ่ง เมื่อใช้งานนานเข้า จะเกิดคราบเกลือ และเมื่อคราบดังกล่าวสะสมจนถึงระดับหนึ่ง จะคล้ายกับหินย้อยที่เราเห็นเวลาไปเที่ยวถ้ำ ถ้าหินย้อยจากขั้วลบมาเจอกับขั้วบวก จะเกิดการช็อตและไฟไหม้ขึ้นได้

จึงมีความคิดว่า ถ้าเราเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็ง อาจจะทำให้การเกิดหินย้อยนี้เป็นไปได้ยาก และเพิ่มความปลอดภัย แต่เมื่อเป็นของแข็ง ข้อด้อยที่ตามมาคือ รอยต่อระหว่างขั้วบวกอิเล็กโทรไลต์และขั้วลบจะไม่แนบกันสนิท ลองนึกถึงใส่น้ำในแก้ว กับใส่ก้อนกรวดในแก้วดูนะครับ ไม่ว่าก้อนกรวดจะเล็กอย่างไร ก็จะมีช่องอากาศระหว่างกรวดกับแก้ว ซึ่งจะต่างจากน้ำ การมีช่องอากาศทำให้การนำไฟฟ้าไม่สมบูรณ์มากนักเมื่อเทียบกับของเหลว แต่ล่าสุด มีบริษัทสตาร์ทอัพบางแห่งที่เริ่มประสบความสำเร็จโดยใช้เซรามิคเป็นตัวกลาง ทำให้คิดว่าการพัฒนาคงจะ break through เร็ว ๆ นี้ เมื่อ solid state battery (แบตเตอรี่แบบแข็ง โดยส่วนประกอบต่างๆ ภายในจะถูกทำให้อยู่ในสภาพของแข็ง ซึ่งแตกต่างจากในปัจจุบันที่เป็นของเหลว) สามารถนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ได้แล้ว เราคงจะเห็นว่ารถ BEV น่าจะแข่งขันกับรถ ICE หรือรถที่เติมน้ำมัน (ICE - Internal Combustion Engine หมายถึงรถที่มีเครื่องยนต์สันดาปทั่วไป เช่นรถดีเซล รถเบนซิน) ได้อย่างน่าดูทีเดียว โดยค่ายยักษ์ใหญ่อย่างทั้งโตโยต้าและค่ายรถโฟล์คก็ได้ให้ความมั่นใจว่าเราน่าจะได้เห็น การรถ BEV จาก solid state batteryในปี 2025

ส่วนในอุตสาหกรรมรถยนต์นั้น ค่ายพอร์ช Porsche ได้เปิดตัวรถ BEV เป็นครั้งแรกภายใต้ชื่อรุ่น Taycan ซึ่งต้องขออนุญาตเล่าให้ฟังว่า เมื่อ 120 ปีที่แล้วหรือเมื่อปีค.ศ. 1900 รถไฟฟ้าคันแรกที่ออกแบบด้วย Ferdinand Porsche ได้รับการชื่นชมอย่างล้นหลามในงาน Paris World Fair โดยเป็นรถไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เล็ก ๆ สองตัวบนล้อหน้าของรถ ทำให้รถคันนั้นสามารถวิ่งได้กว่า 50 กิโลเมตรที่ความเร็วสูงสุด 35 กม.ต่อชม. นับเป็นนวัตกรรมที่สำคัญในสมัยนั้นเช่นกัน แม้ว่าการมีมอเตอร์เล็ก ๆ ที่ล้อ (in-wheel motor) จะมีข้อดีคือ การสูญเสียเชิงกลจะน้อยกว่าและขนาดมอเตอร์ที่เล็กทำให้กินไฟน้อย และแรงดันก็จะไม่สูง ส่งผลทำให้ขนาดแบตเตอรี่เล็กลงและรถเบาขึ้น แต่มอเตอร์ที่ล้อจะต้องหมุนตามล้อที่เคลื่อนไหวตลอดเวลา และบางครั้งอาจจะโดนน้ำในกรณีที่น้ำนองหรือท่วม ทำให้ออกแบบยาก นอกจากนั้นยังทำให้ล้อหนักขึ้น และส่งผลให้ทั้งความแม่นยำในการขับและความนุ่มนวลในการนั่งหายไป รถส่วนใหญ่จึงยังใช้โครงสร้างการขับเคลื่อนแบบเดียวกันกับรถใช้น้ำมันหรือ ICE ที่มีระบบทดเกียร์ และส่งกำลังผ่านเพลารถ อย่างไรก็ตาม มีสตาร์ทอัพที่ชื่อ Indigo ได้ออกแบบ มอเตอร์ในล้อ เป็นแบบ module ที่ในกล่องมีทั้งเบรค ระบบคัดท้าย (steering) ระบบกันสะเทือนและมอเตอร์ขับเคลื่อนอยู่ในกล่องเดียวกัน เพื่อตอบโจทย์ทั้งหมด อีกทั้งมอเตอร์ก็ใช้ไฟ 48 โวลท์ที่เป็นแรงดันมาตรฐานสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าทั่วไปในรถ ไม่ว่าจะเป็นไฟปรับระดับเก้าอี้ เครื่องเสียง เครื่องปรับอากาศในรถ ทำให้สามารถหาอุปกรณ์ได้ง่าย ความอันตรายลดลงเนื่องจากแรงดันที่ลดลง และยังสามารถผลิตได้ถูกลงด้วย ผู้ผลิตหวังว่าในปีหน้า 2020 อาจจะมีการผลิตเชิงพาณิชย์

เมื่อมอเตอร์เล็ก ๆ สี่ตัวติดอยู่กับล้อสี่ล้อ และส่งกำลังผ่านสายไฟแทนการส่งกำลังกลผ่านเกียร์ เพลาและอุปกรณ์ทางกลที่หนัก ๆ ทำให้น้ำหนักตัวรถเบาขึ้นอีก และทำให้แบตเตอรี่เล็กลงอีก เมื่อแบตเตอรี่เล็กลง ก็จะใช้เวลาชาร์จเร็วขึ้น น่าจะเป็นมิติใหม่ในการออกแบบรถไฟฟ้าเลยทีเดียว แต่ทว่าในรถไฟฟ้า Taycan รุ่นใหม่ของพอร์ชกลับมิได้ใช้เทคโนโลยีแต่ดั้งเดิมของตัว การออกแบบนั้นใช้มอเตอร์ใหญ่สองตัวสำหรับสองล้อหน้าและสองล้อหลัง แล้วมีเกียร์สองระดับสำหรับออกตัว และเร่งแซงในความเร็วสูง ซึ่งก็คือยังส่งกำลังกลผ่านเกียร์และเพลาเหมือนรถยนต์ใช้น้ำมันทั่วไป แต่ที่สำคัญและแตกต่างจากความคิดเมื่อ 120 ปีที่แล้วโดยสิ้นเชิงคือ เป็นมอเตอร์ที่แรงดันสูงมาก คือ 800 โวลท์ ซึ่งสูงกว่า Telsla เท่าตัว และสูงกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้ามาตรฐานเกือบยี่สิบเท่า แต่ทางวิศวกรของพอร์ชใช้ทฤษฎีพื้นฐานทางไฟฟ้าที่ว่าคือ เมื่อต้องการกำลังที่เท่ากัน ถ้าแรงดันสูงขึ้น ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าลดลง เมื่อกระแสไฟฟ้าลดลง หมายถึงสายไฟทองแดงมีขนาดเล็กลง น้ำหนักจะเบาขึ้น ความร้อนก็ลดลง ทำให้ทำงานได้ดีขึ้น และยิ่งกว่านั้น เครื่อง super charge ล้วนแล้วแต่เป็น high voltage ทั้งนั้น หรืออีกนัยหนึ่งก็จะสามารถชาร์จแบตเตอรี่ได้เร็วขึ้น

ต้องบอกว่าวิทยาศาสตร์และวิทยาการนั้นเป็นสิ่งที่น่าทึ่ง ทั้ง ๆ ที่ความคิดตรงข้ามกันโดยสิ้นเชิง แต่สามารถไปสู่เป้าหมายเดียวกันได้ คือ ชาร์จเร็วและทำให้รถเบาลง หวังว่าเป้าหมาย 30/30 หรือ 30% ของรถที่ขายในปี 2030 นี้จะเป็นรถ BEV จะสามารถเป็นจริงได้และเมืองใหญ่ที่มีปัญหามลภาวะอย่างกรุงเทพฯ ที่มีปัญหาเรื่องฝุ่น PM2.5 จะได้หมดไป เมื่อรถที่วิ่งในเมืองใหญ่เป็นรถ BEV ครับ