Solid-State Battery คืออะไร ? ดีกว่าแบตลิเธียมที่เรารู้จักกันดีอย่างไร ?

ทุกคนลองนึกถึงวันหนึ่งที่สมาร์ทโฟนเราชาร์จเพียงครั้งเดียวแต่ใช้งานได้หลายวัน หรือรถยนต์ไฟฟ้าที่เห็นวิ่งได้ไกลกว่าเดิมหลายร้อยกิโลเมตร โดยที่ไม่ต้องกังวลเรื่องความร้อนสะสม หรือความเสี่ยงจาก แบตเตอรี่ (Battery) ระเบิด อาจดูเหมือนเป็นไปได้ยาก แต่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีแบตเตอรี่กำลังทำให้สิ่งเหล่านี้ใกล้ความจริงมากขึ้นเรื่อย ๆ โดยเฉพาะ “Solid-State Battery” หรือแบตเตอรี่ที่อยู่ในสถานะของแข็ง ที่ถูกพูดถึงในฐานะความก้าวครั้งใหม่ของวงการแบตเตอรี่

แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะเป็นมาตรฐานที่ใช้กันมานานมาก และได้พัฒนาจนมีประสิทธิภาพที่ดีพอสมควร แต่ก็ยังมีข้อจำกัดหลายประการที่สำคัญที่สุดคือ ความปลอดภัย และ การเสื่อมของแบตเตอรี่ ที่เกิดขึ้นเร็วเมื่อใช้งานหนัก ซึ่งปัญหาเหล่านี้แก้ได้ด้วย Solid-State Battery คำถามคือ Solid-State Battery ดีกว่าแบตลิเธียมแบบเดิมอย่างไร ? แล้วเทคโนโลยีใหม่นี้มีศักยภาพมากพอที่จะเข้ามาแทนที่ หรือไม่ ? 

ในบทความนี้จะพาทุกคนไปหาคำตอบด้วยการทำความรู้จักกับ Solid-State Battery อย่างละเอียด ไม่ว่าจะความหมาย, หลักการทำงาน ,ประเภท ,ข้อดีข้อสังเกต และเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เพื่อหาคำตอบว่าแบตเตอรี่แห่งอนาคตนี้พร้อมหรือยัง ? ที่จะมาเปลี่ยนเกมอย่างที่หลายคนคาดหวัง …

แบตเตอรี่โซลิดสเตต คืออะไร ? (What is a Solid-State Battery ?)

Solid-State Battery (SSB) หรือแบตเตอรี่แบบสถานะของแข็งคือ แบตเตอรี่ที่เปลี่ยนส่วนประกอบสำคัญอย่าง “อิเล็กโทรไลต์” (Electrolyte) จาก “ของเหลว” มาเป็น “ของแข็ง” เช่น เซรามิก (Ceramic) หรือ โพลิเมอร์แทน (Polymer TANT) ซึ่งถือเป็นการปฏิวัติวงการแบตเตอรี่ครั้งใหญ่ เพราะจุดที่สำคัญคือ มันช่วยเพิ่มความปลอดภัย และประสิทธิภาพ ในการเก็บพลังงานได้มากกว่าแบบเดิม

ภาพจาก : https://www.linkedin.com/pulse/what-differences-between-solid-state-batteries-lithium-ion-bruce-feng-3yqbc

ถ้าเปรียบเทียบให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น แบตเตอรี่ทั่วไปก็เหมือนขวดน้ำที่มีของเหลวอยู่ภายใน ข้อเสียคือ มันหกได้-ล้นได้ และถ้าโดนแรงกระแทกแรง ๆ อาจถึงขั้น “ระเบิด” ได้เพราะลิเธียมนั้นเป็นคุณสมบัติที่ไวต่อออกซิเจน และความชื้นในอากาศมาก หากเกิดรอยรั่ว หรือแบตเสียหายจนลิเธียมสัมผัสกับอากาศ จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันอย่างรวดเร็วปล่อยความร้อนสูง ส่วน Solid-State Battery ก็เหมือนกล่องที่ข้างในเป็นวุ้นแข็ง, ไม่หกง่าย, ไม่ล้น, ไม่ติดไฟ และแข็งแรงกว่าเยอะ

ประวัติความเป็นมาของ แบตเตอรี่โซลิดสเตต (History of Solid-State Battery)

ค.ศ.1831-1834 (พ.ศ. 2374-2377)

จุดเริ่มต้นของ Solid-State Battery สามารถย้อนกลับไปได้ไกลถึงช่วงปี ค.ศ.1831-1834 (พ.ศ. 2374-2377) เมื่อ Michael Faraday ได้ค้นพบสารนำไฟฟ้าที่เป็นของแข็งอย่าง Silver sulfide และ Lead(II) fluoride ซึ่งวางรากฐานให้กับแนวคิดการใช้ของแข็งในการนำไอออน

ค.ศ. 1950 (พ.ศ. 2493)

ต่อมาในช่วงปลายทศวรรษ ค.ศ. 1950 (พ.ศ. 2493) ก็เริ่มมีการนำอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งมาใช้งานจริงในระบบไฟฟ้าเคมี แต่ยังมีข้อจำกัดหลายด้านอยู่ เช่น พลังงานต่ำ, ความต้านทานสูง และต้นทุนที่ไม่คุ้มค่า

ภาพจาก : https://interestingengineering.com/culture/michael-faraday-a-true-scientific-hero-behind-electromagnetism

ค.ศ.1967 (พ.ศ. 2510)

จากนั้นการพัฒนาเริ่มเห็นความหวังใหม่ในปี ค.ศ.1967 (พ.ศ. 2510) เมื่อมีการค้นพบวัสดุที่เรียกว่า β-alumina ซึ่งสามารถนำไอออนได้เร็ว และมีศักยภาพสูง นำไปสู่การพัฒนาเซลล์แบตเตอรี่แบบโซลิดในอุตสาหกรรม เช่น ที่ Ford Motor Company และ NGK ในญี่ปุ่น อย่างไรก็ตาม Solid-State Battery ยังมีต้นทุนการผลิตที่สูงอยู่มาก

ค.ศ. 1990 (พ.ศ. 2533)

ก้าวสำคัญอีกครั้งเกิดขึ้นในช่วงทศวรรษ ค.ศ. 1990 (พ.ศ. 2533) เมื่อ Oak Ridge National Laboratory ได้พัฒนาอิเล็กโทรไลต์แข็งชนิดใหม่ที่ชื่อว่า LiPON ซึ่งนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมแบบฟิล์มบาง แม้จะยังไม่สามารถผลิตในระดับใหญ่ได้ แต่ก็ถือเป็นรากฐานของเทคโนโลยี SSB

เข้าสู่ยุคศตวรรษที่ 20 ความสนใจใน Solid-State Battery พุ่งสูงขึ้น โดยเฉพาะปี ค.ศ. 2011 (พ.ศ. 2554) Kamaya และทีมงานเผยแพร่งานวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ Li10 Ge P2 S12 ที่มีความสามารถในการนำไอออนในระดับสูงใกล้เคียงกับของเหลว แสดงให้เห็นว่า SSB สามารถท้าทายแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้จริง ๆ ในปีเดียวกันนั้น Bolloré ได้เปิดตัวรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่แบบโพลิเมอร์ และ Toyota กับ Volkswagen ก็เริ่มวิจัยอย่างจริงจังในด้านนี้

ค.ศ. 2011 (พ.ศ. 2554)

ปี ค.ศ. 2017 (พ.ศ. 2560) ถือเป็นอีกจุดเปลี่ยนเมื่อ John Goodenough ผู้ร่วมคิดค้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน พัฒนาแบตเตอรี่โซลิดที่ใช้อิเล็กโทรไลต์แบบแก้ว ต่อมา Toyota ก็จับมือกับ Panasonic เพื่อเร่งพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดนี้ และภายในไม่กี่ปี หลายบริษัทใหญ่ เช่น BMW, Hyundai, Honda และ Nissan ก็เข้าสู่สนามเดียวกัน

ภาพจาก : https://www.assemblymag.com/articles/97882-john-goodenough-father-of-lithium-ion-battery-passes-away

ค.ศ. 2020 (พ.ศ. 2563)

พอเข้าสู่ยุค ค.ศ. 2020 (พ.ศ. 2563) ความคืบหน้าของ SSB รวดเร็วขึ้นมา หลายบริษัทเริ่มประกาศแผนผลิตจริง เช่น Toyota ที่จะเริ่มใช้ SSB กับรถไฮบริดในปี ค.ศ. 2025 (พ.ศ. 2568)

ค.ศ. 2023 – 2024 (พ.ศ. 2566 – 2567)

และล่าสุดในปี ค.ศ. 2023 – 2024 (พ.ศ. 2566 – 2567) หลายบริษัททั้งในญี่ปุ่น, ยุโรป และสหรัฐฯ ได้เริ่มผลิตแบตเตอรี่ต้นแบบขนาดใหญ่ เช่น Maxell, Panasonic, Factorial และ Volkswagen ทุกบริษัทต่างก็รายงานความคืบหน้าในการพัฒนาแบตเตอรี่นี้ และคาดว่าจะพร้อมสำหรับใช้งานเชิงพาณิชย์ภายในไม่กี่ปีข้างหน้า

ภาพจาก : https://www.maxell.eu/industry/all-solid-state-batteries/

หลักการทำงานของ แบตเตอรี่โซลิดสเตต (Working Principle Of Solid-State Battery)

Solid-State Battery จริง ๆ แล้วทำงานคล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่เราใช้อยู่ทุกวันนี้เลย หลักการพื้นฐานคือการสร้างกระแสไฟฟ้าจากการเคลื่อนที่ของ “ไอออน” ระหว่างขั้วบวก (Cathode) และขั้วลบ (Anode) ผ่านสารตัวนำที่เรียกว่า อิเล็กโทรไลต์ แต่ความต่างที่สำคัญคือ Solid-State Battery อิเล็กโทรไลต์จะเป็นของแข็ง ไม่ใช่ของเหลว หรือเจลเหมือนในแบตเตอรี่ทั่วไป

ภาพจาก : https://article.murata.com/en-global/article/basic-lithium-ion-battery-4

เพื่อให้เห็นภาพชัดขึ้นในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป จะต้องมี แผ่นกั้น (Separator) คั่นอยู่ตรงกลางระหว่างขั้วบวก และขั้วลบ เพื่อป้องกันไม่ให้ของเหลวจากสองฝั่งไหลมาปะปนกัน เพราะหากเกิดการลัดวงจรขึ้นมา อาจทำให้แบตเตอรี่ร้อนเกินไป หรือถึงขั้นระเบิดได้ แต่สำหรับ Solid-State Battery วัสดุอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนั้นทำหน้าที่คล้าย “กำแพงกรองไอออน” อยู่แล้ว จึงไม่จำเป็นต้องมี Separator แยกอีกชั้น ซึ่งลดความซับซ้อน และเพิ่มความปลอดภัยในการใช้งานมากขึ้น

แต่ความท้าทายหลักที่เคยทำให้แบตเตอรี่แบบนี้ยังไม่ถูกใช้แพร่หลายคือ มันยังไม่มีวัสดุแข็งชนิดใดที่สามารถให้ไอออนลิเธียมเคลื่อนไหวได้ดีพอ แต่เมื่อไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยสามารถค้นพบ และพัฒนาวัสดุใหม่ ๆ ดังที่เราได้พูดกันไปในหัวข้อที่แล้ว ที่ทำให้ไอออนเคลื่อนที่ในของแข็งได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้เทคโนโลยีนี้เริ่มเป็นไปได้จริง และได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นอย่างมากในอุตสาหกรรม

ข้อดีของการเปลี่ยนจากของเหลวมาใช้ของแข็งคือ สามารถออกแบบแบตเตอรี่ให้มีขนาดเล็กลงแต่จุไฟได้มากขึ้น และให้กำลังส่งที่สูงขึ้นโดยไม่เสี่ยงต่อปัญหาความร้อน นอกจากนี้ ยังใช้ลิเธียม แบบบริสุทธิ์เป็นขั้วลบ ซึ่งเป็นวัสดุที่จุพลังงานได้สูงกว่าแบบกราไฟต์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบัน พูดง่าย ๆ คือ Solid-State Battery ไม่ได้เปลี่ยนแค่ “วัสดุ” แต่กำลังเปลี่ยนวิธีคิดทั้งระบบว่าจะทำให้แบตเตอรี่มีพลังมากขึ้น ปลอดภัยขึ้นได้มากกว่าเดิมอย่างไร ?

ประเภทของ แบตเตอรี่โซลิดสเตต (Types of Solid-State Battery)

1. Bulk Solid-State Battery

Bulk Solid-State Battery ใช้วัสดุที่มีลักษณะเป็นผง หรือเม็ดเล็ก ๆ ในการสร้างขั้วไฟฟ้า และอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีขนาดใหญ่ และจุพลังงานได้มาก เหมาะกับการใช้งานในยานพาหนะที่ต้องการพลังงานสูง เช่น รถยนต์ไฟฟ้า (EV)

ภาพจาก : https://www.researchgate.net/figure/Perspective-photo-of-all-solid-state-thin-film-Li-ion-battery-with-dimensions_fig2_255569309

2. Thin-film Solid-State Battery

Thin-film Solid-State Battery เป็นชนิดที่ผลิตด้วยการเคลือบอิเล็กโทรไลต์บาง ๆ ลงบนขั้วไฟฟ้าในสภาพสูญญากาศ ทำให้ได้แบตเตอรี่ที่บาง และมีขนาดเล็ก แม้ว่าจะเก็บพลังงานได้น้อยกว่าประเภท Bulk แต่ก็มีข้อดีเรื่องอายุการใช้งานที่ยาวนาน และความเหมาะสมกว่าในการใช้งานกับอุปกรณ์ขนาดเล็ก 

ภาพจาก : https://www.researchgate.net/figure/Perspective-photo-of-all-solid-state-thin-film-Li-ion-battery-with-dimensions_fig2_255569309

ข้อดี และ ข้อเสียของ แบตเตอรี่โซลิดสเตต (Pros and Cons of Solid-state Batteries)

ข้อดีของ Solid-State Battery

1. ความจุพลังงานสูงกว่า

ใช้ลิเธียมบริสุทธิ์เป็นขั้วลบ ทำให้แบตเตอรี่จุไฟได้มากกว่าแบบลิเธียมไอออน โดยพลังงานเฉลี่ยอยู่สูงเกิน 350 Wh/kg

2. ปลอดภัยกว่าแบตเตอรี่แบบเดิม

อิเล็กโทรไลต์ที่เป็นลิเธียมแบบสถานะของแข็งไม่ติดไฟ ลดโอกาสเกิดไฟไหม้ หรือการลัดวงจรที่เกิดจากของเหลวรั่วไหลออกมา

3. รองรับอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง

ใช้งานได้ในช่วงอุณหภูมิที่หลากหลายกว่าแบบเดิมมากโดยเฉพาะในสภาวะที่ร้อนจัด หรือต้องการแรงดันไฟฟ้าสูงมาก ๆ

4. รองรับแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า

สามารถใช้งานร่วมกับแคโทดที่ให้แรงดันสูงเกิน 5 โวลต์ (Volt) ต่อเซลล์ ซึ่งมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อยู่ราว ๆ 4.5 โวลต์

5. ชาร์จไวขึ้น และใช้พื้นที่น้อยลง

อิเล็กโทรไลต์แบบของแข็ง และโครงสร้างแบบซ้อนชั้น (Bipolar stacking) ช่วยให้ส่งพลังงานได้เร็วขึ้น และประหยัดพื้นที่ในการออกแบบไปได้มาก

ข้อสังเกตของ Solid-State Battery

1. ต้นทุนการผลิตสูง

โดยเฉพาะแบบ Thin-film ที่ใช้เครื่องมือเฉพาะ และมีกระบวนการผลิตซับซ้อนยังยากต่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรมอยู่

2. ไวต่ออุณหภูมิ และแรงกด

Solid-State Battery บางชนิดต้องใช้แรงกดสูงเพื่อให้วัสดุเชื่อมติดกันดี และอุณหภูมิที่ต่ำอาจทำให้แบตเตอรี่ทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ

3. ปัญหาที่รอยต่อวัสดุ (interfacial instability)

ขั้วไฟฟ้า และอิเล็กโทรไลต์ อาจเกิดปฏิกิริยาไม่พึงประสงค์ ทำให้ประสิทธิภาพลดลง และไอออนเคลื่อนที่ไม่ดีเท่าทีควร

4. ความเสียหายทางกล (Mechanical failure)

วัสดุ Solid-State Battery บางชนิดขยาย หรือหดตัวเมื่อ ชาร์จ และปล่อยไฟบ่อย ๆ ทำให้สูญเสียประสิทธิภาพการนำไอออน และอาจแตกร้าวได้

5. ความท้าทายในการออกแบบขั้วไฟฟ้า

เนื่องจากการขยายตัวของขั้วบวก และขั้วลบ เมื่อใช้งาน ส่งผลต่อความเสถียรโดยรวม อาจต้องผสมวัสดุหลายชนิด หรือใช้ดีไซน์พิเศษเพื่อลดผลกระทบในอนาคต

บทสรุป และแนวโน้มในอนาคต ของ แบตเตอรี่โซลิดสเตต (Conclusion and Future Outlook of Solid-State Battery)

แม้ว่า Solid-State Battery และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะใช้หลักการทำงานคล้าย ๆ กัน คืออาศัยการเคลื่อนที่ของไอออนระหว่างขั้วบวก และขั้วลบ แต่ความแตกต่างที่สำคัญที่สุดอยู่ที่ “อิเล็กโทรไลต์” ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติหลายด้านของแบตเตอรี่ โดยสามารถเปรียบเทียบได้ดังนี้

ภาพจาก : ภาพจาก : https://www.laserax.com/blog/solid-state-vs-lithium-ion-batteries

บทสรุป และแนวโน้มในอนาคต (Conclusion and Future Outlook)

มาถึงหัวข้อสุดท้ายกัน หากมองในภาพรวมของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ในปัจจุบัน Solid-State Battery กำลังถูกจับตามองว่าเป็น “ตัวแทนยุคใหม่” ที่อาจมาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในอนาคต ข้อดีด้านเทคนิคอย่างความปลอดภัยที่สูง, พลังงานที่เก็บได้มากขึ้น หรือการชาร์จที่เร็วขึ้น รวมถึงความสามารถในการออกแบบที่ยืดหยุ่นกว่า

เมื่อเทียบกันแล้ว Solid-State Battery มี “ความเหนือกว่า” แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลายด้าน อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก็ยังคงได้เปรียบในแง่ของความพร้อมเชิงพาณิชย์ราคาที่เข้าถึงได้ และโครงสร้างการผลิตที่แพร่หลายกว่า ซึ่งทำให้มันยังคงเป็นแบตเตอรี่หลักในตลาด ณ ตอนนี้

Solid-State Battery ยังมีข้อจำกัดที่ต้องก้าวข้ามอยู่ โดยเฉพาะต้นทุนการผลิตที่ยังสูง แต่ความคืบหน้าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโดยเฉพาะการพัฒนาจากบริษัทยักษ์ใหญ่ทั่วโลกอย่าง Toyota, Volkswagen, Samsung และอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่าเรากำลังเข้าใกล้จุดที่เทคโนโลยีนี้จะพร้อมสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ในวงกว้างมากขึ้น

ภาพจาก : https://www.laserax.com/blog/solid-state-vs-lithium-ion-batteries

ในอนาคตอันใกล้ เราอาจยังไม่เห็น Solid-State Battery มาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ทั้งหมดในทันที แต่มีแนวโน้มสูงที่มันจะเข้ามา “เสริม” และ “ยกระดับ” การใช้งานในกลุ่มที่ต้องการประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษ เช่น รถยนต์ไฟฟ้าไฮเอนด์ โดรนขนส่ง เครื่องมือแพทย์ หรือแม้แต่การใช้งานในอวกาศ ดังนั้นคำตอบว่า Solid-State Battery จะมาแทนที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ หรือไม่ ? อาจไม่ใช่คำว่า ใช่ทันที แต่คือ “แน่นอน” ในอนาคตข้างหน้า

ที่มา : article.murata.com , en.wikipedia.org , www.britannica.com