รางวัลโนเบล! กว่าจะมาเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

อัปเดตล่าสุด 17 ต.ค. 2562
  • Share :
  • 728 Reads   

ทุกวันนี้ หากจะกล่าวว่าสมาร์ทโฟน และโน๊ตบุ๊ค คือสิ่งที่ขาดไม่ได้ในชีวิตประจำวันก็คงจะไม่เกินไปนัก ซึ่งผลิตภัณฑ์เหล่านี้ ล้วนแล้วแต่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแหล่งพลังงานทั้งสิ้น ด้วยจุดเด่นที่มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา จึงกลายเป็นนวัตกรรมที่มีบทบาทในการลดขนาดเครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ให้กลายเป็นสิ่งที่สามารถพกพาได้  ด้วยเหตุนี้เอง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นส่วนสำคัญที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรม IT และอุตสาหกรรมโทรศัพท์มือถือ รวมถึงถูกคาดหวังว่าจะเป็นส่วนหนึ่งของอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า (Electric Vehicles: EV) และการนำไปใช้งานรูปแบบอื่น เช่น ตัวเก็บประจุสำหรับแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นหนึ่งในนวัตกรรมสำคัญของโลกนี้อย่างไม่ต้องสงสัย


นวัตกรรมแห่งอนาคต สู่อุตสาหกรรมยานยนต์ และพลังงานทดแทน


ศาสตราจารย์ Akira Yoshino ขณะเข้าสู่ที่ประชุม

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มีจุดเด่นตั้งแต่เมื่อครั้งเปิดตัวคือขนาดเล็ก น้ำหนักเบา จึงกลายเป็นนวัตกรรมที่มีบทบาทในการลดขนาดเครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ให้กลายเป็นสิ่งที่สามารถพกพาได้ และได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายทั้งในอุตสาหกรรมการผลิต และผู้บริโภค จนถูกกล่าวว่า หากไม่มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแล้ว วิถีชีวิตในปัจจุบันคงต่างออกไปเป็นอย่างมาก

โดยบริษัทแรก ที่ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนออกวางจำหน่าย คือ Sony ซึ่งผลิตออกมาในรูปแบบแบตเตอรี่สำรองที่ชาร์จไฟซ้ำได้ เมื่อปี 1991 จากนั้น Toshiba และ Asahi Kasei Kogyo (ปัจจุบันรู้จักในชื่อ Asahi Kasei) ได้ร่วมมือกันเป็นรายถัดมาในปี 1992 ก่อคลื่นลูกใหญ่ในวงการ IT ด้วยการกระตุ้นการพัฒนาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กให้เป็นที่แพร่หลาย ทำมูลค่าได้กว่า 1 ล้านล้านเยนในช่วงเวลาเพียง 20 ปี และคาดการณ์ว่าจะมีมูลค่าขึ้นไปถึง 3 ล้านล้านเยนในปี 2020 นี้ ซึ่งเป็นผลจากอุตสาหกรรมยานยนต์ ทั้งรถยนต์ไฟฟ้า และรถยนต์ไฮบริด (Hybrid Vehiclea: HV) รวมถึงการนำไปใช้เป็นแบตเตอรี่สำหรับพลังงานทางเลือก เช่น เซลล์พลังงานแสงอาทิตย์ และกังหันลม

ศาสตราจารย์ Akira Yoshino หนึ่งในผู้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ค้นพบว่า หากนำ Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) มาใช้เป็นอิเล็กโทรด และใช้คาร์บอนที่มีคุณสมบัติพิเศษเป็นอิเล็กโทรดขั้วลบแล้ว จะสามารถทำให้เทคโนโลยีนี้พัฒนาไปต่อได้ ส่งผลให้การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่หยุดชะงักมีความคืบหน้า และกลายเป็นโครงสร้างพื้นฐานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถึงปัจจุบัน

2 การค้นพบสำคัญ

หนึ่งในผู้มีบทบาทสำคัญต่อการพัฒนาแบตเตอรี่สำรองของศาสตราจารย์ Akira Yoshino คือ ศาสตราจารย์ Hideki Shirakawa จาก University of Tsukuba ผู้ค้นพบ Polyacetylene โพลีเมอร์ชนิดหนึ่งซึ่งมีคุณสมบัตินำกระแสไฟฟ้า และได้รับรางวัลโนเบลไปเมื่อปี 2000 จากการค้นพบนี้


แบตเตอรี่ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา ความจุสูง

และด้วยคุณสมบัติในการนำกระแสไฟฟ้าทำให้ Polyacetylene ถูกเสนอให้เป็นวัสดุผลิตแบตเตอรี่สำรอง ซึ่งในช่วงเวลานั้น แบตเตอรี่ทั่วไปใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งสามารถแยกน้ำเป็นออกซิเจน และไฮโดรเจนเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้ามากกว่า 1.23 โวลต์ ซึ่งเป็นข้อจำกัดของแบตเตอรี่ในยุคนั้น และไม่เพียงพอต่อการนำมาพัฒนาแบตเตอรี่สำรองขนาดเล็ก

ต่อมาคณะวิจัยค้นพบว่า Metallic Lithium เป็นธาตุโลหะที่มีน้ำหนักเบา และกลายเป็นอิออนได้ง่าย จึงเป็นวัสดุที่เหมาะแก่การผลิตแบตเตอรี่สำรองเป็นอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม ในช่วงเวลานั้น Metallic Lithium มีความร้อนสูง ลัดวงจรง่าย ทำให้ยังไม่เหมาะกับการนำมาผลิตเนื่องจากปัญหาด้านความปลอดภัย

ซึ่งในตอนนั้นเองที่ศาสตราจารย์ Akira Yoshino เสนอให้นำ Polyacetylene มาใช้แทน อย่างไรก็ตาม การพัฒนาก็ยังไม่ประสบผลสำเร็จ

จนกระทั่งศาสตราจารย์ Akira Yoshino ได้อ่านงานวิจัยของศาสตราจารย์ John B. Goodenough ซึ่งค้นพบว่า Lithium Cobalt Oxide สามารถใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดขั้วบวกได้ในปี 1979 ซึ่งเป็นการวิจัยร่วมกับศาสตราจารย์ Koichi Mizushima จาก Toshiba Research & Development Center, Frontier Research Laboratory ซึ่งไปเป็นนักศึกษาแลกเปลี่ยนในขณะนั้น

ถัดมาในปี 1983 ศาสตราจารย์ Akira Yoshino ได้ร่างทฤษฎีการนำ Polyacetylene มาใช้เป็นอิเล็กโทรดขั้วลบ และ Lithium Cobalt Oxide เป็นอิเล็กโทรดขั้วบวก ซึ่งหลังจากล้มเหลวหลายต่อหลายครั้ง ความคืบหน้าทางด้านวัสดุวิทยา ก็ช่วยให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำเร็จได้ในที่สุด

ศาสตราจารย์ Akira Yoshino ให้สัมภาษณ์ว่า “ในตอนที่สาธิตให้คนอื่นเห็นว่าแบตเตอรี่ขนาดเล็ก น้ำหนักเบานี้ใช้ได้จริง ผมรู้สึกดีใจมาก แต่ก็รู้ดีว่ายังไม่อาจประกาศออกไปได้จนกว่าเทคโนโลยีนี้จะปลอดภัยมากขึ้น ซึ่งก็ล้มเหลวไปอีกหลายครั้ง จนกระทั่งตอนที่ผมพัฒนาให้มันปลอดภัยได้สำเร็จ ซึ่งตอนนั้นผมตื้นตันเป็นอย่างมาก” พร้อมกล่าวเสริมถึงความสนใจร่วมพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบ All Solid State ไปพร้อมกับค่ายรถในอนาคต

บทสัมภาษณ์ศาสตราจารย์ Akira Yoshino


ศาสตราจารย์ Akira Yoshino

รู้สึกอย่างไรที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ในปีนี้ (2019) ?

“ก็เคยคิดกับตัวเองว่า ถ้าถึงเวลาก็คงไปรับรางวัล แต่ก็ไม่คิดว่าจะได้รับจริง ๆ ในตอนที่มีโทรศัพท์มาแจ้งว่ายินดีด้วย ผมก็คิดว่า “ถึงเวลาจริง ๆ สักที” เหมือนกัน ก่อนจะได้รับวันนึง ผมก็คิดอยู่ว่าถ้าได้รับจริง ๆ ก็คงดีแท้ ๆ”

มีความสัมพันธ์กับผู้รับราลวัลคนอื่นอย่างไรบ้าง ?

“ผมกับศาสตราจารย์ John B. Goodenough สนิทกันมาก ปัจจุบันก็ยังทำงานวิจัยร่วมกันอยู่ แต่สำหรับเขาแล้วผมคงเหมือนเป็นลูกชายมากกว่า ก็เลยดูแลผมเป็นอย่างดีเลย ส่วนศาสตราจารย์ Stanley Whittingham ก็เป็นคนแรกที่นำปรากฏการณ์การปล่อยไอออนมาใช้ผลิตแบตเตอรี่ได้ ซึ่งผมมีความคิดว่า มีอีกหลายคนมากที่มีบทบาทในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจนสำเร็จ”

แล้วในช่วงที่ยังพัฒนาไม่สำเร็จเป็นอย่างไร ?

“หลังพัฒนาเสร็จแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังขายไม่ออกไปอีก 3 ปี ตอนนั้นผมก็คิดจะผูกคอตายเหมือนกัน แต่อุตสาหกรรม IT ก็เกิดการปฏิวัติครั้งใหญ่ จนผมรอดมาได้ ส่วนการพัฒนาเพื่อนำไปใช้กับรถยนต์ไฟฟ้านั้น ในแง่สิ่งแวดล้อมก็ยังมีปัญหาอีกมาก แต่ผมมั่นใจว่าจะพัฒนาได้สำเร็จ ซึ่งผมมองว่า นักวิจัยที่ดี ต้องรับฟังคนอื่น แต่ก็ต้องมั่นใจในความคิดตัวเองด้วย ถ้าเชื่อว่าสิ่งที่ตนวิจัยคือสิ่งที่อนาคตต้องการ การวิจัยนั้นก็จะสำเร็จแน่นอน”

คิดอย่างไรกับความเห็นว่า “งานวิจัยพื้นฐานของญี่ปุ่นกำลังเสื่อมลง” ?

“อย่างน้อยก็เป็นความจริงในมหาวิทยาลัยที่ผมอยู่ โดยการวิจัยที่ดี ต้องมี 2 ส่วน คือ “การวิจัยที่เป็นประโยชน์” และ “การวิจัยเรื่องใหม่ที่ไม่มีใครให้ความสำคัญ” แต่มหาวิทยาลัยในญี่ปุ่นยังจัดสมดุลทั้ง 2 ส่วนนี้ได้ไม่ดีนัก”

มีความเห็นต่ออนาคตอย่างไร ?

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเป็นมากกว่าแหล่งพลังงานของโทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์ IT จะเริ่มที่ยานยนต์ ตามด้วยเครื่องบิน และเรือ รวมถึงการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมอื่น ๆ ซึ่งต้องผ่านการพัฒนาอีกมาก โดยในวงการวิทยาศาสตร์เอง ก็ยอมรับว่าลิเธียมไอออนยังมีความลับอีกมาก เราสามารถพัฒนาแบตเตอรี่ All Solid State ได้ก็จริง แต่เราก็ยังไม่เข้าใจว่าจะอธิบายหลักการของมันยังไง และเมื่อเรากลับมาที่จุดเริ่มต้น ก็จะมีอะไรใหม่ ๆ ที่ต้องวิจัยเพิ่มขึ้นอีก”

สนใจอะไรนอกเหนือจากการวิจัยหรือไม่ ?

“ผมก็อยากลองไปในทิศทางใหม่ ๆ ดู เช่นประวัติศาสตร์ ซึ่งสำหรับนักวิจัยแบบพวกผมแล้ว เป็นเรื่องที่น่าสนุกเป็นอย่างยิ่ง”


ที่มา : Nikkan Kogyo Shimbun