แบตเตอรี่กับ BEV

คอลัมน์ Everlasting Economy จากหนังสือพิมพ์กรุงเทพธุรกิจ ฉบับเดือน ธันวาคม 2562
โดย คุณชัยวัฒน์ โควาวิสารัช

ถ้ายังจำกันได้ เมื่อตอนต้นปีได้คุยกันว่ารถคันใหม่ควรจะเป็นรถ BEV (Battery Electric Vehicle) หรือรถไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ทั้งคันแล้วหรือยัง ซึ่งในเวลานั้นก็มองว่ารถ HEV (Hybrid Electric Vehicle) หรือ PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) ยังน่าจะเป็นทางเลือกที่เหมาะกว่าในระยะอันสั้นนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าต้องซื้อรถคันแรกและคันเดียวของครอบครัว ในปีที่ผ่านมาก็มีวิวัฒนาการต่าง ๆ เกิดขึ้นมากมาย ผมขอเล่าเฉพาะในส่วนที่ผมได้สัมผัสนะครับ

เริ่มจากแบตเตอรี่ก่อนเลยนะครับ เพื่อเป็นการฉลองรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปีนี้ ที่ผู้ให้กำเนิดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้รับรางวัลทั้งสามท่าน โดยเริ่มจาก Stanley Whittingham นักวิจัยที่ทำงานกับ Exxon ในช่วงค.ศ. 1970 ที่เกิดวิกฤตการณ์น้ำมันครั้งแรกของโลก บริษัทได้ขอให้ศึกษาทางเลือกอื่นที่จะสามารถมาทดแทนน้ำมัน เริ่มจากหาโลหะที่มีความนำยิ่งยวด (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 ช่วงที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของญี่ปุ่นเฟื่องฟูประมาณปลายทศวรรษ 80 Akira Yoshino จาก Asahi Kansai Corp ก็ได้นำงานของ ศ. Goodenough มาต่อยอดโดยเปลี่ยนขั้วบวกเป็นกลุ่มคาร์บอนหรือถ่าน (coke) จากการผลิตน้ำมัน ทำให้แบตเตอรี่ใช้งานได้นานขึ้น ปลอดภัยมากขึ้น และมีน้ำหนักเบา และต่อมาโซนี่ ได้นำมาใส่ในกล้องวีดีโอ ฯลฯ ปัจจุบันเรานำมาใช้ในโทรศัพท์มือถือ โน้ตบุ๊ค ฯลฯ และแม้กระทั่งรถยนต์ไฟฟ้า

น่าสังเกตว่า ผู้ได้รับรางวัลโนเบล 2 ใน 3 เป็นนักวิจัยบริษัทเอกชน จึงเป็นเรื่องที่น่ายินดีกับมนุษยชาติ เพราะหมายถึงการใช้งานได้จริงของงานวิจัยในเชิงพาณิชย์

จึงมีความคิดว่า ถ้าเราเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์เป็นของแข็ง อาจจะทำให้การเกิดหินย้อยนี้เป็นไปได้ยาก และเพิ่มความปลอดภัย แต่เมื่อเป็นของแข็ง ข้อด้อยที่ตามมาคือ รอยต่อระหว่างขั้วบวกอิเล็กโทรไลต์และขั้วลบจะไม่แนบกันสนิท ลองนึกถึงใส่น้ำในแก้ว กับใส่ก้อนกรวดในแก้วดูนะครับ ไม่ว่าก้อนกรวดจะเล็กอย่างไร ก็จะมีช่องอากาศระหว่างกรวดกับแก้ว ซึ่งจะต่างจากน้ำ การมีช่องอากาศทำให้การนำไฟฟ้าไม่สมบูรณ์มากนักเมื่อเทียบกับของเหลว แต่ล่าสุด มีบริษัทสตาร์ทอัพที่เริ่มประสบความสำเร็จโดยใช้เซรามิคเป็นตัวกลาง ทำให้คิดว่าการพัฒนาคงจะ break through เร็ว ๆ นี้ เมื่อ solid state battery สามารถนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ได้แล้ว เราคงจะเห็นว่ารถ BEV น่าจะแข่งขันกับรถ ICE หรือรถที่เติมน้ำมัน ได้อย่างน่าดูทีเดียว โดยค่ายรถอย่างทั้งโตโยต้าและโฟล์คก็ได้ให้ความมั่นใจว่าเราน่าจะได้เห็นรถ BEV จาก solid state batteryในปี 2025

ในอุตสาหกรรมรถยนต์นั้น ค่ายพอร์ช Porsche ได้เปิดตัวรถ BEV เป็นครั้งแรกภายใต้ชื่อรุ่น Taycan โดยเมื่อปีค.ศ. 1900 รถไฟฟ้าคันแรกที่ออกแบบด้วย Ferdinand Porsche ได้รับการชื่นชมอย่างมากในงาน Paris World Fair เป็นรถไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เล็ก ๆ สองตัวบนล้อหน้าของรถ วิ่งได้กว่า 50 กม. ที่ความเร็วสูงสุด 35 กม.ต่อชม. นับเป็นนวัตกรรมที่สำคัญในสมัยนั้น แม้ว่าการมีมอเตอร์เล็ก ๆ ที่ล้อจะมีข้อดีคือการสูญเสียเชิงกลจะน้อยกว่าและขนาดมอเตอร์ที่เล็กทำให้กินไฟน้อยและแรงดันไม่สูง ทำให้ขนาดแบตเตอรี่เล็กลงและรถเบาขึ้น แต่มอเตอร์ที่ล้อจะต้องหมุนตามล้อที่เคลื่อนไหวตลอดเวลา และบางครั้งอาจจะโดนน้ำ ถ้าน้ำนองหรือท่วม ทำให้ออกแบบยาก และยังทำให้ล้อหนักขึ้น ส่งผลให้ทั้งความแม่นยำในการขับและความนุ่มนวลในการนั่งหายไป รถส่วนใหญ่จึงยังใช้โครงสร้างการขับเคลื่อนแบบเดียวกันกับรถใช้น้ำมันหรือ ICE ที่มีระบบทดเกียร์และส่งกำลังผ่านเพลารถ อย่างไรก็ตาม มีสตาร์ทอัพที่ชื่อ Indigo ได้ออกแบบมอเตอร์ในล้อ เป็นแบบที่มีทั้งเบรค ระบบคัดท้าย ระบบกันสะเทือนและมอเตอร์ขับเคลื่อนอยู่ในกล่องเดียวกันเพื่อตอบโจทย์ทั้งหมด อีกทั้งมอเตอร์ก็ใช้ไฟ 48 โวลท์ที่เป็นแรงดันมาตรฐาน ทำให้สามารถหาอุปกรณ์ได้ง่าย ความอันตรายลดลงเนื่องจากแรงดันที่ลดลง และยังผลิตได้ถูกลงด้วย ในปี 2020 อาจจะมีการผลิตเชิงพาณิชย์

เมื่อมอเตอร์เล็ก ๆ สี่ตัวติดอยู่กับล้อสี่ล้อ และส่งกำลังผ่านสายไฟแทนการส่งกำลังกลผ่านเกียร์ เพลาและอุปกรณ์ทางกลที่หนัก ๆ ทำให้น้ำหนักตัวรถเบาขึ้น และทำให้แบตเตอรี่เล็กลง ก็จะใช้เวลาชาร์จเร็วขึ้น น่าจะเป็นมิติใหม่ในการออกแบบรถไฟฟ้า แต่ในรถไฟฟ้า Taycan รุ่นใหม่ของพอร์ชกลับใช้มอเตอร์ใหญ่สองตัวสำหรับ 2 ล้อหน้าและ 2 ล้อหลัง แล้วมีเกียร์ 2 ระดับสำหรับออกตัวและเร่งแซงในความเร็วสูง ซึ่งก็คือยังส่งกำลังกลผ่านเกียร์และเพลาเหมือนรถยนต์ใช้น้ำมันทั่วไป แต่ที่แตกต่างจากความคิดเมื่อ 120 ปีที่แล้วคือ เป็นมอเตอร์ที่แรงดันสูงมาก 800 โวลท์ สูงกว่า Telsla เท่าตัว และสูงกว่าอุปกรณ์ไฟฟ้ามาตรฐานเกือบ 20 เท่า แต่ทางวิศวกรของพอร์ชใช้ทฤษฎีพื้นฐานที่ว่าคือเมื่อต้องการกำลังที่เท่ากัน ถ้าแรงดันสูงขึ้น ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าลดลง เมื่อกระแสไฟฟ้าลดลงหมายถึงสายไฟทองแดงมีขนาดเล็กลง น้ำหนักจะเบาขึ้น ความร้อนก็ลดลง ทำให้ทำงานได้ดีขึ้น และยิ่งกว่านั้นเครื่อง 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