แบตลิเทียมไอออน หัวใจของรถไฟฟ้า?


[แบตเตอรี่และชุดมอเตอร์ขับเคลื่อนของรถ Volvo XC40 – ภาพจาก Volvo Media]

แบตเตอรรี่เป็นหัวใจสำคัญของยานยนต์ไฟฟ้าหรือ EV ทั้งหลาย รวมถึงรถไฮบริดแทบทุกรุ่น ซึ่งปัจจุบันส่วนมากก็ใช้แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Lithium ion) กันทั้งนั้น เพราะมีความจุพลังงานต่อขนาดและน้ำหนักสูงที่สุด (มีแค่รถไฮบริดบางรุ่นยังใช้แบตเตอรี่ Nickel Metal Hydride หรือ NiMH ซึ่งจุพลังงานน้อยกว่าหลายเท่าในขนาดและน้ำหนักพอๆ กัน แต่ทนทานรอบการชาร์จได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน เพรารถเหล่านั้นต้องการแบตความจุไม่สูง แค่พอจ่ายพลังงานให้มอเตอร์ช่วงสั้นๆ เดี๋ยวเครื่องยนต์ก็ปั่นไฟฟ้ามาชาร์จเติมไฟที่จ่ายไปให้เต็มตามเดิม)

แต่ที่จริงแล้วแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่เราพบเห็นในอุปกรณ์ต่างๆ นั้น ไม่ได้เป็นชนิดเดียวกันทั้งหมด แต่ยังมีชนิดย่อยๆ แยกออกไปอีก แต่ละชนิดก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกัน ซึ่งเฉพาะชนิดที่สำคัญหรือใช้กันทั่วไปมีดังนี้

แบตเตอรี่ Lithium Cobalt Oxide (LCO) / Lithium Polymer (LiPo)

แบตเตอรี่แบบนี้มีข้อดีที่สุดในเรื่องของความหนาแน่นพลังงาน คือมีขนาดและน้ำหนักเบา แต่เก็บพลังงานไฟฟ้าได้เยอะ ส่วนข้อจำกัดคือจ่ายพลังงานออกมาได้ในอัตราไม่สูงนัก จึงจะเห็นได้ในสมาร์ทโฟน และอุปกรณ์พกพาอื่นๆ ที่กินไฟไม่มากนัก (ไม่มีพวกมอเตอร์ไฟฟ้ากำลังสูงๆ) แต่ต้องการให้น้ำหนักเบา ใช้งานได้นาน เช่น สมาณ์ทโฟน แท็บเล็ต โน้ตบุ๊ค โดรน (Drone) กล้องถ่ายภาพ

ในการใช้งานจริงมักจะใช้แบตเตอรี่แบบนี้ที่ผลิตมาในลักษณะของซองนิ่มๆ ที่เรียกว่ารูปแบบ ลิเทียมโพลีเมอร์ (Lithium Polymer – LiPo) เพื่อให้สามารถปรับรูปทรงเข้ากับอุปกรณ์ที่ต้องการได้ง่าย โดยไม่ต้องทำเป็นชิ้นแข็งๆ แต่บรรจุในซองแทน เพื่อให้สามารถปรับรูปร่างตามอุปกรณ์ที่ใช้ได้ เช่นในสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ๆ ที่ถอดแบตเตอรี่เปลี่ยนเองไม่ได้ แบตเตอรี่แบบนี้จะใช้สารเคมีหรือ electrolyte ภายในเป็นเจล แทนที่จะเป็นของเหลว และมีเส้นใยโพลีเมอร์คั่นกลางเป็นชั้นๆ ถึงเรียกว่า “ลิเทียมโพลีเมอร์”

[ซองแบตเตอรี่แบบ Lithium Polymer – ภาพโดย Shaget – CC-BY-SA 3.0 Wikipedia]

ส่วนข้อเสียของแบตเตอรี่แบบนี้คือราคาค่อนข้างสูง และหากทำขนาดใหญ่ก็อาจมีปัญหาเรื่องความปลอดภัยได้ เนื่องจากอาจมีความร้อนสูงจนเกิดปฏิกิริยาลุกไหม้ได้ค่อนข้างง่าย (เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบอื่นๆ) หากวงจรควบคุมการชาร์จหรือการออกแบบมีปัญหา จึงมักพบได้ในขนาดความจุที่ไม่ใหญ่มากนัก และมีวงจรป้องกันการชาร์จมากไป/น้อยไป ติดมาในตัวซองแบตเตอรี่เลย แบตเตอรี่แบบนี้ส่วนมากจะมีความจุพลังงานในระดับ 10 วัตต์ชั่วโมง (Watt-Hour หรือ 10 Wh ถ้าเขียนในหน่วย กิโลวัตต์-ชั่วโมงก็เหลือแค่ 0.01 kWh เท่านั้น) หรือถ้าเป็นแบตสำรองหรือ Power Bank ขนาด 10,000 mAh ก็จะมีความจุพลังงานประมาณ 35-40 Wh เท่านั้น ลองเทียบตัวเลขนี้กับแบตเตอรี่ลิเทียมของรถไฟฟ้า EV ทั่วไปที่จุราวๆ 50 kWh จะเห็นว่าเล็กกว่ากันนับพันเท่าทีเดียว!

แบตเตอรี่ Lithium Manganese Cobalt Oxide (MNC)

แบตเตอรี่แบบนี้มีความจุพลังงานสูงใกล้เคียงกับแบบลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LCO) หรือลิเทียมโพลีเมอร์ที่เราอธิบายในหัวข้อก่อน แต่สามารถทำขนาดได้ใหญ่กว่า ความปลอดภัยก็สูงกว่า (แต่ยังไม่เท่า LFP ที่จะพูดถึงในหัวข้อถัดไป) จึงถูกนำมาใช้ในรถไฟฟ้าแบบต่างๆ ทั้ง EV และ Hybrid (HEV/PHEV) ทำให้รถไฟฟ้าที่ใช้สามารถวิ่งได้ไกล 300-500 กม. ได้ในการชาร์จครั้งเดียว

ส่วนข้อเสียก็คือราคาที่ค่อนข้างสูง และเรื่องความปลอดภัยที่ยังต้องระวังเช่นเดียวกับ LCO เช่นเรื่องความร้อน โดยเฉพาะเวลาจ่ายไฟปริมาณมากต่อเนื่องนานๆ เช่นในตอนที่รถ EV เร่งเครื่อง ขึ้นเขา ซึ่งในรถ EV ที่มีแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ บางรุ่นอาจมีระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่โดยใช้ของเหลว เช่นน้ำ ถ่ายเทความร้อนไปที่หม้อน้ำอยู่แล้ว (หรือบางรุ่นก็ใช้การระบายด้วยอากาศ ใช้พัดลมเป่าผ่านแทน) ซึ่งในภาวะดังกล่าวแบตเตอรี่จะร้อนขึ้น วงจรควบคุมแบตเตอรี่ก็จะคอยตัดหรือลดการทำงาน ทำให้แบตเตอรี่ไม่เสียหาย แต่อาจมีประสิทธิภาพลดลง เช่นรับการชาร์จไฟเข้าได้ช้าลง จนกว่าอุณหภูมิจะลดลงสู่ระดับปรกติ

รถ Tesla ใช้ NMC หรือ LFP ?

ผู้ผลิตรถไฟฟ้ารุ่นบุกเบิกอย่าง Tesla ไม่ได้ใช้แบตเตอรี่แบบ NMC แต่ใช้แบบ NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide) ซึ่งมีคุณสมบัติใกล้เคียงกันแทน และปัจจุบันก็เริ่มหันมาใช้แบตเตอรี่แบบ LFP ด้วยในรุ่นตั้งต้นหรือ Standard range

แบตเตอรี่ Lithium Ferro Phosphate (LFP)

LFP เป็นแบตเตอรี่ลิเทียมอีกแบบหนึ่งที่เริ่มเป็นที่นิยมนำมาใช้กันมากขึ้น เพราะมีราคาต่ำกว่าแบบ NMC และยังมีอายุการใช้งานทนทานกว่า ทนต่อการชาร์จไฟได้หลายรอบกว่า (2,000 รอบหรือ full cycle ขึ้นไป) พบเห็นได้ในการใช้กักเก็บพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์ไว้ใช้ในตอนที่ไม่มีแดด เช่นกลางคืน และเริ่มมีการนำมาใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า (BEV) ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าล้วน แทนแบตเตอรี่แบบ NMC อีกด้วย

ข้อจำกัดของแบตเตอรี่แบบนี้คือ มีความจุพลังงานน้อยกว่าแบบ NMC ถ้าเทียบในน้ำหนักหรือปริมาตรที่เท่ากันอยู่ประมาณ 20% ซึ่งสำหรับแบตเตอรี่ที่วางนิ่งๆ อยู่กับที่ อย่างที่ใช้เก็บไฟจากระบบโซลาร์เซลล์ ซึ่งขนาดและน้ำหนักแบตเตอรี่ก็ไม่ใช่ประเด็นสำคัญ

[แบตเตอรี่ LFP ที่ใช้ในการกักเก็บพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ – ภาพโดย Yo-Co-Man CC-BY-SA 4.0 จาก Wikipedia]

[แบตเตอรี่ LFP ที่ใช้ในการกักเก็บพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ – ภาพโดย Yo-Co-Man CC-BY-SA 4.0 จาก Wikipedia]

แต่เมื่อเริ่มมีการเอาแบตเตอรี่ LFP ไปใช้ในรถไฟฟ้า EV ด้วย ข้อดีคือการลดต้นทุน ซึ่งน่าจะทำให้ราคาขายปลีกของรถไฟฟ้าถูกลงด้วย แต่ข้อเสียคือเมื่อความจุพลังงานต่ำกว่า ทำให้ได้ระยะทางหรือ range ที่น้อยกว่าเดิมประมาณ 20% หากต้องการให้วิ่งได้ระยะทางเท่าเดิมที่ใช้ NMC แบตเตอรี่ LFP ก็ต้องหนักขึ้น ใหญ่ขึ้นอีกราว 20%

ตัวอย่างเช่น ถ้าแบต NMC เดิมหนัก 100 กก. ถ้าจะให้รถวิ่งได้ไกลขึ้นอีก 20% เป็นรุ่น Long Range ก็ต้องเพิ่มแบตเตอรี่ NMC ให้ใหญ่ขึ้น 20% ด้วย แต่ถ้าเปลี่ยนเป็นแบตเตอรี่ LFP แต่ให้วิ่งได้ไกลขึ้น 20% ก็อาจจะต้องเพิ่มขนาดแบตเตอรี่จาก NMC เดิมถึง 44% (120% x 120%) เพื่อชดเชยกับพลังงานที่เก็บได้น้อยลง หรือคิดคร่าวๆ แบตเตอรี่ LFP ขนาดความจุ 50 kWh จะหนักประมาณสามร้อยกว่ากิโลกรัม ซึ่งเป็นสาเหตุที่รถไฟฟ้าส่วนใหญ่จะต้องทำแบตเตอรี่เป็นกล่องแบนๆ อยู่ใต้ท้องรถ เพื่อให้จุดศูนย์ถ่วงอยู่ต่ำที่สุด ซึ่งจะมีผลกับการทรงตัวของรถด้วย

แบตเตอรี่ Lithium แบบอื่นๆ

ที่จริงแบตเตอรี่ลิเที่ยมนอกจาก LCO, NMC, NCA และ LFP แล้ว ยังมีแบบย่อยอีกหลายอย่างมากกว่านี้เช่น Lithium Titanate หรือ Lithium Titanate Oxide (LTO) ที่ชาร์จไฟเข้าได้เร็วเป็นพิเศษ ฯลฯ นอกจากนี้ยังมีที่อยู่ในระหว่างการวิจัยพัฒนาอีกมากมายหลายแบบ เพียงแต่ว่าบางแบบก็ยังแพงเกินกว่าจะผลิตจำนวนมากเพื่อนำมาใช้งานจริงเท่านั้น

สรุปว่า…

สรุปว่าแบตเตอรี่ที่เรียกรวมๆ แบตลิเทียมนั้นมีหลากหลายชนิดมาก แต่ละชนิดก็มีคุณสมบัติ ข้อดีข้อเสียต่างกันออกไป ดังนั้นเวลาที่จะเปรียบเทียบคุณสมบัติต่างๆ เช่นเทียบสเป็ครถไฟฟ้า ต้องดูให้ดีว่าเป็นแบตลิเทียมแบบไหน (NMC หรือ LFP) ด้วย

โดย วศิน เพิ่มทรัพย์ – บรรณาธิการบริหาร สำนักพิมพ์ โปรวิชั่น

Author

  • บรรณาธิการอำนวยการ กลุ่มบริษัท โปรวิชั่น จำกัด จบโทวิศวกรรมคอมพิวเตอร์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งเอเซีย (AIT) เขียนหนังสือมาหลายสิบปี ที่พิมพ์ขายไปนับได้ร่วมล้านเล่ม แต่ก็ยังรู้สึกว่าต้องเรียนรู้อะไรใหม่ๆ อยู่ตลอด เพราะโลกหมุนเร็วกว่าที่เคยเป็นมา 🙂