ความจริงเกี่ยวกับแบตเตอรี่ การเสื่อมเกิดขึ้นได้ยังไง

ก่อนหน้านี้ เราเขียนเรื่องเกี่ยวกับ การเสื่อมของแบตเตอรี่ EV ไปแล้วว่า มันไม่ได้เสื่อมง่ายเหมือนที่เราคิดกันขนาดนั้น วันนี้เราจะมาเล่าในแง่ของ วิทยาศาสตร์ เบื้องหลังกันบ้างว่า จริง ๆ ภายในแบตเตอรี่มันเกิดอะไรขึ้น และ การที่เราเจอปัญหาแบตเสื่อม มันเกิดจากอะไร

ปล 1. ถ้าคำไหนคิดว่ามันแปลก ๆ ทักมาบอกได้ เพราะเรารู้เป็นภาษาอังกฤษ ไม่แน่ใจคำแปลเท่าไหร่ ถ้ามีคำที่ดีกว่า

ปล 2. การเปรียบเทียบบางอย่างอาจจะไม่ตรงกับความเป็นจริง 100% เพื่อความเข้าใจที่ง่ายขึ้นเด้อ

แบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

เพื่อให้อธิบายเรื่องนี้ได้ง่ายขึ้น เราขอพูดถึงคำว่า ไฟฟ้ากันก่อน เราอาจจะเคยเข้าใจว่า ไฟฟ้าก็คือไฟฟ้า เรารู้แค่ว่า ถ้าเราจ่ายไฟฟ้า ให้อุปกรณ์ไฟฟ้า ตัวอุปกรณ์ไฟฟ้ามันจะทำงาน ดังนั้นเราถามต่อว่า แล้วด้านในสายไฟที่เราเอาไฟฟ้าใส่เข้าไป มันมีอะไรวิ่งอยู่ ถึงทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้ามันทำงานได้ คำตอบก็คือ Electron (อิเล็กตรอน)

ดังนั้น อุปกรณ์ไฟฟ้า มันจะเริ่มทำงาน เมื่อมี Electron วิ่งผ่านมันไป ถ้าคิดเป็นมอเตอร์ ก็เหมือนเอาแรงที่ Electron วิ่งผ่านไปดันแกนหมุนในมอเตอร์ เลยทำให้มันหมุน คิดขำ ๆ แบบนั้นก็ได้ แต่ในความเป็นจริง Electron มันอยู่ของมันดี ๆ ทำไมมันต้องวิ่งด้วยละ เหมือนกับ เราเอาน้ำใส่แก้วไว้เฉย ๆ มันก็ไม่ไปไหนใช่มะ

สิ่งที่ทำให้ Electron วิ่งจากจุดหนึ่งไปอีกจุดหนึ่ง คือ ศักย์ไฟฟ้า โดยที่ Electron ตัวของมันจะมีศักย์เป็นลบ ทำให้ ตัวมันจะต้องวิ่งไปหาขั้วที่ตรงข้ามกันเหมือนแม่เล็ก เลยทำให้ Electron จะวิ่งจาก ลบ ไปหา บวก เสมอ

ถามว่า แล้วเราจะเอา Electron ที่วิ่ง ๆ ที่เราคุยกันมาจากไหน ทำให้ต้องย้อนกลับไปที่ วิชาเคมีที่เรียนกันตอนมัธยมปลายเลย ถ้าเราเอาอะตอมของธาตุสักธาตุมาซูมดูใกล้ ๆ (อุปมาเนอะ) ลักษณะของมันจะมีก้อน ๆ อยู่ตรงกลาง เราเรียกว่า Nucleus ซึ่งประกอบด้วย Proton ที่มีศักย์เป็นบวก และ Neutron ที่มีศักย์เป็นกลาง และมี Electron วิ่งอยู่รอบ ๆ เป็นวง ๆ

ถามว่า แล้ว วง ๆ มันมีกี่วงรอบ ๆ ละ ย้อนกลับไปเรื่องของ Electron Configuration ได้เลย แต่เราอยากให้สนใจ Electron ที่อยู่วงนอกสุด เราเรียกว่า Valence Electron แต่ละธาตุ แต่ละหมู่ ก็จะมีจำนวน Valence Electron ที่แตกต่างกัน เช่น Lithium มี Atomic Number เป็น 3 ทำให้มันสามารถจัดเรียงได้เป็น 1S, 2S ทำให้ มี Valence Electron เป็น 1 นั่นเอง

สาเหตุที่เราอยากให้สนใจ Valence Electron เพราะ จริง ๆ แล้ว มันสามารถมีการทำงานบางอย่าง ทำให้มันสูญเสีย Valence Electron ที่มีไป ทำให้ศักย์ของมันมีการเปลี่ยนแปลง อยู่ในจุดที่มัน หมดพลังงานไป เรียกว่า หมาหงอยก็ได้

ดังนั้น ธาตุตัวไหนมันมีความสามารถในการ แจก Electron ได้มาก มันก็จะมีศักย์เป็นลบ และ ธาตุตัวไหนที่มีความสามารถในการ รับ Electron ได้มาก มันก็จะมีศักย์เป็นบวก พอเห็นภาพแล้วใช่มั้ยว่า เราจะทำให้ Electron วิ่งได้ยังไง ใช่แล้ว เราก็แค่เอาอันที่มันชอบรับ Electron มาต่อกับ อันที่ชอบให้ Electron เท่านี้มันก็จะเกิดความ ต่างศักย์ นั่นทำให้ Electron ก็จะไหลจากตัวที่มีศักย์เป็นลบ ไปหาตัวที่ศักย์เป็นบวกแล้วนั่นเอง

ในแบตเตอรี่จริง ๆ เรายกตัวอย่างแบตยอดนิยมในรถ EV เลยละกันคือ LFP หรือ Lithium Iron Phosphate ในตัวมัน แน่นอนว่า มันจะต้องแบ่งออกเป็น 2 ด้านที่เราคุยกันเมื่อกี้ ด้านนึง เราจะเรียกว่า Cathode และ อีกด้าน เรียกว่า Anode

ด้าน Cathode นี่แหละ เป็นด้านที่สำคัญ ใน LFP เขาจะใช้เป็น Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄) และ ด้าน Anode จะเลือกใช้เป็นพวกกลุ่ม Graphite แล้วมันจะมีเป็นชั้นกั้นบาง ๆ เป็นพวกชั้นที่ไม่ให้ไฟฟ้าไหลผ่านได้ และ มีพวก Electrolyte เพื่อป้องกัน Electron วิ่งผ่าน (ถ้ามันวิ่งผ่านได้ Electron ก็จะไม่ผ่านสายไฟทำให้เกิดกำลังไฟฟ้า)

ทีนี้ เมื่อเวลาเราชาร์จ Electron ที่อยู่ใน Lithium ใน Lithium Iron Phosphate  มันก็จะวิ่งไปอยู่ที่ด้านของ Graphite ผ่านสายไฟไป และ เมื่อ Electron วิ่งไปที่ Anode มากขึ้นเรื่อย ๆ มันก็จะเกิดความต่างศักย์มากขึ้นเรื่อย ๆ ระหว่างด้านที่เป็น Anode และ Cathode ทำให้ Lithium ที่อยู่ในด้าน Cathode ที่โดนแยก Electron ไป ก็จะออกตามหา Electron เมื่อปฏิกิริยานี้เสร็จสมบูรณ์ Electron และ Lithium ย้ายไปอยู่ด้าน Anode หมดแล้ว ก็จะถือว่าแบตก้อนนี้ชาร์จเต็มแล้วนั่นเอง

เรารู้ได้ยังไงว่า แบตเตอรี่เหลือเท่าไหร่ SoC คิดยังไง

เคยสงสัยกันมั้ยว่า เลขเปอร์เซ็นต์ของ Battery มันเอามาจากไหน ยิ่งในปัจจุบัน เรามีพวกรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ซึ่งมันก็ขึ้นกับเปอร์เซ็นต์ของ Battery มากขึ้นไปอีก ไม่งั้น คือดับกลางทางได้เลยนะ วันนี้เรามาเล่าให้อ่านกันว่า รถ และ อุปกรณ์ทั้งหลาย มันรู้ได้ยังไงว่า มันเหลือเท่าไหร่

ArnondoraArnon Puitrakul

จะเห็นว่า ตอนที่ Electron ย้ายจากด้าน Cathode ไปที่ Anode มากขึ้น ความต่างศักย์ ระหว่างด้าน Cathode และ Anode ก็จะเพิ่มสูงขึ้นเช่นกัน เป็นปรากฏการณ์ที่ทำให้เมื่อเราชาร์จไฟเข้าไป ก็จะทำให้ Voltage หรือความต่างศักย์สูงขึ้น ซึ่งเราก็เอามาใช้ในการวัด State of Charge (SoC)

และ Iron Phosphate ที่เหลือมันก็มีความสามารถในการรับ Electron สูง ในขณะเดียวกัน Lithium ที่อยู่อีกด้านก็ชอบให้ Electron ซะด้วย ความเห็นตรงกันละ โดยที่แบตเตอรี่แบบ LFP จะมีความต่างศักย์สูงสุดที่ 3.6 - 3.65V ด้วยกัน ดังนั้น กลับกัน เมื่อเราใช้งาน เราก็ต่อสาย แล้วมีโหลด เช่นมอเตอร์มาเสียบ ตัว Electron ที่อยู่ด้าน Anode ก็จะวิ่งผ่าน มอเตอร์ กลับไปเข้าด้าน Cathode พร้อม ๆ กับพวก Lithium อีกครั้ง เป็น Cycle วนไปเรื่อย ๆ

แต่ ๆ โดยปกติแล้วเราจะไม่ใช้จนมันหมด แบบ หมดเลย มันจะมีการกำหนดอยู่ว่า มันควรจะลงไปได้ถึงเท่าไหร่ ขึ้นกับผู้ผลิตเลย (สำหรับเคสของ EV ทั้งหลาย มันเกิดจาก Battery หลาย ๆ เซลล์มาต่อรวมกัน ดังนั้น เราคงจะบอกจากผลรวมของแรงดันว่าแบตหมดเลยคงไม่ได้ เวลาเราจะบอกว่า แบตหมด แบบหมดเลย ส่วนใหญ่เขาจะมีการตั้ง Lowest Cell Voltage ไว้ แปลว่า ถ้ามีสักเซลล์นึงมี Voltage ต่ำกว่าค่าที่กำหนด ก็คือ แบตหมด) ไม่งั้น อีกด้านจะไม่มี Electron เหลือเลยเช่น LFP อาจจะเหลือประมาณ 2.0V ได้ และนี่ก็คือ การทำงานของ Battery แบบง่าย ๆ ง่ายแหละ ง่ายอยู่แกร์

ถามว่าแล้ว Lithium Battery ประเภทอื่น ๆ มันทำงานยังไง ก็ต้องบอกว่า มันไม่ต่างกันเลย สิ่งที่เราเปลี่ยนจริง ๆ คือ สารประกอบที่เราใช้ใน Cathode เช่น NMC ก็จะเป็น LiNiMnCoO2 หรือ Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide แค่นั้นเลย

ทำไม Lithium ถึงถูกเลือกมาเป็นธาตุสำคัญที่ใช้ทำ Battery

อ่านมาถึงตอนนี้ น่าจะทำให้ เราจะพอเห็นสาเหตุลาง ๆ มั้ยว่า ทำไม Lithium ถึงเป็นธาตุที่เราเอามาใช้ในการทำ Battery เป็นเพราะ มันเป็นของแข็งที่มี Atomic Number น้อยที่สุด และ มี Valence Electron เป็น 1 พอดีเลย ทำให้มันเป็นธาตุที่ชอบให้ Electron และ จ่ายแค่ตัวละ 1 Electron ง่ายต่อการจัดการมาก ๆ นั่นเอง ถามว่า แล้ว Alternative Solution ที่เราเจอทุกวันนี้ในไทยก็วิจัย แน่นอนว่า หนีไม่พ้นธาตุในหมู่เดียวกันตัวต่อไปคือ Na หรือ Sodium หรือ เกลือนั่นเอง

ความเจ๋งจริง ๆ ของแบตที่เป็น Sodium ก็คือ โลกเรามี Sodium โคตรเยอะ ที่เราบอกว่า 3 ใน 4 ของโลกเราเป็นน้ำใช่มะ ในส่วนตรงนั้นเยอะมาก ๆ เป็นน้ำเค็ม แน่นอนว่า มีเกลือเป็นส่วนประกอบทั้งหมดเลย แปลว่า เราหามันได้โคตรง่าย ไม่ต้องไปทำเหมืองอลังการเหมือนกับ Lithium อีก แต่ ณ วันนี้เป็นแค่จุดเริ่มต้นของ Sodium Battery เท่านั้น เพราะ ความหนาแน่นของพลังงาน (ของ CATL ที่จะเอามาขาย ณ ปีที่เขียนอยู่ที่ 160 Wh/kg นิด ๆ เทียบกับ LFP ที่เรานิยมใช้กันดันกันไปที่ 200 Wh/kg) มันก็ยังสู้พวก Lithium Battery ไม่ได้ ก็ต้องพัฒนากันต่อไป แต่ปีนี้คือ 2023 ฝั่งของผู้ผลิตรายใหญ่อย่าง CATL เองก็จะเข็น Sodium Battery เข้าสู่ตลาดกันแล้ว

แบตเสื่อม เกิดจากอะไร ?

ตอนเขียนหัวข้อนี้ ก็ตอบแบบกำปั้นทุบดินคือ ก็เพราะใช้งาน และเวลาผ่านไปยังไงละ เออ ก็จริงแหละ ทำให้ ถ้าเราไปดูที่การรับประกัน Battery บน EV เขาจะมี 2 ส่วน เช่น 8 ปี หรือ 180,0000 กิโลเมตร ส่วนแรกคือ การเสื่อมที่เกิดจากเวลา และ ระยะทาง คือการเสื่อมที่เกิดจากการใช้งาน เรามาดูในแง่ของวิทยาศาสตร์เบื้องหลังดีกว่า

เราขอเริ่มจาก การเสื่อมที่เกิดจากการใช้งาน กันก่อน สาเหตุแรกคือ ขั้ว Cathode หรือ Anode เกิดความเสียหาย เมื่อเราชาร์จ แล้ว ใช้ไปมา เจ้า Lithium ที่วิ่งตามหา Electron มันก็จะวิ่งไปมา ระหว่าง Cathode และ Anode แต่แน่นอนว่า มันวิ่งไปมาเยอะ ๆ เข้า ก็อาจจะทำให้โครงสร้างบางอย่างไม่เหมือนเดิม ทำให้กระบวนการที่เราเล่าไป มันทำงานได้ไม่สมบูรณ์ ก็นี่เลย แบตเสื่อมแล้ว

อีกอย่างที่เกิดจากการใช้งานคือ เมื่อเราชาร์จไฟเข้าไป Lithium วิ่งจาก Cathode ไปที่ Anode แต่ถ้าเราชาร์จเร็วมาก ๆ บ่อย ๆ เข้า ผลก็คือ Electron วิ่งไว ทำให้ Lithium วิ่งไวเช่นกัน อาจจะทำให้เกิดเหตุที่เราไม่อยากให้เกิดเช่น Lithium ที่วิ่ง ๆ เกาะเป็นฟิล์มอยู่ที่ Anode ทำให้ลดผิวสัมผัสไป นั่นทำให้มี Lithium Ion เกาะได้น้อยลง

มาที่เรื่อง เวลา กันบ้าง เมื่อเราทิ้งแบตไว้นาน ๆ อย่างแรกที่เราเจอกันคือ Electrolyte เสื่อมสภาพ เช่น เกิดการ Oxidation จากการที่ Lithium ที่อยู่ใน Electrolyte มันไปรวมตัวกับ Lithium ที่เป็นตัววิ่ง ทำให้เกิดความไม่สมดุลกัน เลยเกิดปัญหาขึ้น

และอีกส่วนคือ เมื่ออายุแบตมากขึ้นพวกชั้นที่กั้นระหว่าง Anode และ Cathode ก็อาจจะเสื่อมได้ตามกาลเวลา เมื่อ Lithium วิ่งผ่านไป มันก็จะพยายามใช้เจ้า Lithium นี่แหละในการสร้างชั้นพวกนี้กลับมาเหมือนเดิม นั่นแปลว่า Lithium ใน Electrolyte มันก็จะค่อย ๆ หมดไป ได้เหมือนกัน

ปัจจัยร่วมอื่น ๆ ที่ทำให้แบตเสื่อมเร็วขึ้น

ที่ผ่านมาเราเล่าเหตุที่ทำให้แบตเสื่อมแล้ว ถามว่า แล้วพวกปัจจัยอื่น ๆ ละ ที่เราชอบคุยกันนั่นนี่ มันทำให้แบตเราเสื่อมได้อย่างไร

อย่างแรกคือ ความร้อน ในทางฟิสิกส์จริง ๆ มันไม่มีคำว่า ความเย็น พวกความร้อนที่เราพูดถึงคือ มันมีพลังงานสะสมอยู่ในของสักอย่างนึง แล้วมันปลดปล่อยออกมาเป็นพลังงานความร้อน พูดอีกนัยคือ เมื่อแบตมันร้อนขึ้น มันก็คือในแบตมีพลังงานมากขึ้น ทำให้ปฏิกิริยาทางเคมีมันก็จะเร็วขึ้น รุนแรงขึ้นทำให้ความเสื่อมมันเกิดได้ไวขึ้น หรือกลับกัน ถ้ามันเย็นมาก ๆ ก็จะทำให้ปฏิกิริยามันทำงานได้ช้าลง เลยทำให้เวลาที่แบตมันเย็นมาก ๆ ในประเทศหนาว ๆ ประสิทธิภาพในการดึงไฟ และ ชาร์จไฟก็จะต่ำลง แต่พอแบตเริ่มอุ่นมากขึ้น ประสิทธิภาพมันก็จะค่อย ๆ กลับมาเรื่อย ๆ โดยทั่ว ๆ ไป จะแนะนำที่ประมาณ 15-35 องศาเซียลเซียส แต่ก็ขึ้นกับผู้ผลิตแนะนำมาด้วยนะ

อีกปัจจัยที่เกี่ยวข้อง แต่คนไม่ค่อยพูดถึงกันคือ Depth of Discharge หรือ DoD คือ ปริมาณพลังงานที่เราดึงออกและอัดกลับเข้าไปในแบต พูดง่าย ๆ คือ ยิ่งเราใช้แบตเหลือ SoC ต่ำ ๆ แล้วชาร์จกลับเข้าไปคือ DoD ลึกขึ้น เหมือนกับเวลาเราเดินทางไกล ๆ เราจะพยายามเลือกจุดชาร์จที่ถึงตอนแบตเรา SoC ต่ำ ๆ นั่นแหละคือการพา DoD ลงไปลึก ๆ ปัจจุบัน มีงานวิจัยทางแบตเตอรี่ เห็นตรงกันว่า ถ้าเราใช้งานแล้วมี DoD ที่ลึกมากขึ้นเรื่อย ๆ ประมาณ Cycle ที่เราจะใช้งานได้ก็จะน้อยลงตามไป เอาแบบ Ideal เลย คือชาร์จถึงสัก 85% แล้วลงไปเหลือ 25% แต่เรื่องนั้น ไม่ต้องเป็นห่วงเท่าไหร่ เพราะผู้ผลิตเขาจัดการมาแล้ว โดยที่แบตที่เราใช้งานได้จริง มันจะไม่ถึงตามที่เคลมไว้ เพราะมันมีการเก็บส่วนนี้ไว้เป็น Buffer นั่นเอง จะเห็นได้จากพวกที่ทดสอบหลังแบต 0% แล้ววิ่งต่อได้ นั่นแหละมันคือการเอา Buffer มาใช้ ไม่ใช่เรื่องที่ควรทำเท่าไหร่

สรุป

แบตเตอรี่ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการจัดเก็บพลังงาน หลักการของมันง่าย ๆ คือ การสร้างความต่างศักย์ เพื่อให้ Electron ไหล เพื่อให้เกิดการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าต่าง ๆ ถ้าเป็นใน EV ก็จะเป็นพวก มอเตอร์ และ อุปกรณ์ในรถอื่น ๆ เช่น แอร์เป็นต้น หลัก ๆ ที่เราใช้งานกันใน EV จะขั้วที่ทำจากสารประกอบ Lithium อย่างพวก Lithium Iron Phosphate ในแบตแบบ LFP และกลุ่ม Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide บนแบตแบบ NMC และเมื่อเราใช้งานไป และเวลาผ่านไปมันก็ย่อมเสื่อมได้ตามกาลเวลา หลักการคือ เกิดอะไรบางอย่างที่ทำให้ Lithium มันวิ่งไปอีกด้านได้ยาก หรือไม่ได้เลย เป็นปรากฏการณ์ที่เมื่อเกิดแล้วอยู่ตลอดไปแก้ไขไม่ได้เลย (นอกจากเปลี่ยนแบตใหม่) นอกจากนั้นยังมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องอีกหลาย ๆ อย่าง เช่น ความร้อน และ DoD

ดังนั้นสิ่งที่เราทำได้เพื่อรักษาแบตของเราให้อยู่ได้ยาวนานมากขึ้นคือ พยายามเลี่ยงการใช้งานและจัดเก็บแบตในอุณหภูมิที่สูงมาก ๆ เช่น จอดกลางแดดทั้งวันไม่เยอะหรอก แต่อันที่เยอะจริง ๆ น่าจะเป็นการ Fast Charge ที่อัดประจุเร็วมาก ๆ ทำให้มันเกิดความร้อนสูงมาก ๆ และ การเลี่ยงการทำให้ SoC มันต่ำมาก ๆ หรือสูงมาก ๆ ก็น่าจะทำให้แบตเราอยู่ได้นานมากขึ้นอีกหน่อยแล้ว