& Worldwide

September-October 2016, Vol.43 No.248 5 <<<

เมอพดถงยานยนตไฟฟา หรอ Electric Vehicle หรอทเรยก

ยอ ๆ วา EV นน สงแรกทเรามกจะตองพดถง คอ มนจะ

วงไดนานเทาไร หรอจะวงไดไกลเทาไร ซงสมรรถนะขอนขนอยกบ

แหลงพลงงาน นนคอ แบตเตอร นนเอง อยางไรกตาม ลเธยมไอออน

แบตเตอรทใชในรถยนตไฟฟาในปจจบนกยงคงไมสามารถตอบโจทย

ทกลาวมาขางตนไดทงหมด ยงคงตองหาค�าตอบเพมและอกค�าตอบ

หนงทจะมาชวยท�าใหยานยนตไฟฟาวงไดไกลและนานขน กคอ ตอง

น�าพลงงานทสญเสยกลบมาหมนเวยนใชใหไดมากทสด เชน เมอ

รถเบรก และเรงออกตว โดยใชอปกรณทเรยกวา Supercapacitor หรอ

ตวเกบประจไฟฟายงยวด หลายคนสบสนระหวางตวเกบประจไฟฟา

กบแบตเตอร ผเขยนขออธบายใหฟงกนกอนวา ตวเกบประจทเรา

เรยกวา คาปาซเตอร (capacitor) โดยทว ๆ ไปท�าหนาทเกบ

ประจไฟฟา แตในภายหลงเราม Supercapacitor หรอ Ultracapacitor

ซงในทางเทคนคหลายคนเรยกวา Electric Double Layer Capacitor:

EDLC แตกตางจากตวเกบประจแบบดงเดมทเปนอปกรณทมขนาด

คอนขางใหญเมอเทยบกบอปกรณอเลกทรอนกสอน ๆ และมรปราง

ทรงกระบอก ทเราพบเหนในรานอเลกทรอนกสทวไป โดยเฉพาะอยาง-

ยงในวงจรอเลกทรอนกสก�าลงสง (power electronics circuit) ตวเกบ

ประจยงยวด (supercapacitor) จะสามารถเกบประจไดมากกวาตว

เกบประจทวไปหลายเทาตว ประกอบดวย แผนโลหะสองแผนประกบ

กนดวยระยะหางหนง ท�าหนาทเปนขวไฟฟา หรอทเรยกวา Current

Collector ซงจะถกฉาบดวยวสดทมรพรนมาก ๆ ตวอยางเชน ผง

คารบอน เพอเพมพนทผวบนขวไฟฟา ขวไฟฟาทงสองจะถกจมอยใน

สารอเลกโตรไลท ทแตกตวมทงประจบวกและประจลบและขวไฟฟา

ทงสองคนดวยแผนฉนวนเรยกวา Separator เมอเราชารตไฟเขาไปก

จะเกดสนามความตางศกยระหวางขวไฟฟาทงสอง ประจลบกจะวง

เขาหาขวบวก ประจบวกกจะวงเขาหาขวลบ เกดการกกเกบประจไวท

ขวไฟฟาอยางรวดเรว แตเมอประจมประจทมขวตรงขามมาเกาะจน

เตมแลว กจะดดประจทมขวตรงขามกนมาเกาะอกชน จงเรยกวา

Electric Double Layer เมอยงถาขวไฟฟามรพรนมาก พนทผวการ

กกเกบประจกจะมากตามไปดวย จงสามารถเกบประจไดมหาศาล

Supercapacitor นจงเหมาะกบงานทตองการเกบพลงงานอยาง

ตวเกบประจไฟฟายงยวดกราฟน

ดร.อดสร เตอนตรานนทผอำ�นวยก�ร ศนยนวตกรรมก�รพมพอเลกทรอนกสและอเลกทรอนกสอนทรยศนยเทคโนโลยอเลกทรอนกสและคอมพวเตอรแหงช�ตทปรกษ� สถ�บนวทย�ศ�สตรและเทคโนโลยชนสง สำ�นกง�นคณะกรรมก�รนโยบ�ยวทย�ศ�สตร เทคโนโลยและนวตกรรมแหงช�ตadisorn.tuantranont@nectec.or.th

Worldwide&

>>> 6 September-October 2016, Vol.43 No.248

รวดเรว ชารตไดอยางรวดเรว แตกจะคายพลงงานอยางรวดเรวเชนกน

จงเหมาะทจะใชเปนแหลงพลงงานส�ารองในกรณฉกเฉน ในรถเครน

ทตองการก�าลงมาก หรอพลงงานทไดจากการเบรคลอหรอชะลอ

ความเรวของรถไฟฟา และใชส�าหรบใหพลงงานตอนตองการเรง

ความเรวของรถยนตไฟฟา หรอในรถบสไฟฟาทสามารถชารตพลงงาน

ขณะจอดอยทปายเพอรบสงผโดยสาร และคายพลงงานเพอขบเคลอน

แบบนไปตลอดเสนทาง หลกการของ Supercapacitor แตกตางกบ

แบตเตอร ถงแมจะมโครงสรางและองคประกอบคลาย ๆ กน แบตเตอร

ใชการเกบพลงงานจากการเกดปฎกรยาทางเคมระหวางขวไฟฟาและ

สารอเลกโตรไลท และประจทไดจงถกกกเกบไวในโครงสรางระดบ

อะตอมของขวไฟฟา ตางกบกรณ Supercapacitor ทประจเพยงแต

ถกดงดดใหไปตดบนผวของขวไฟฟา ดงนน Supercapacitor จงชารต

และคายประจไดเรวกวาแบตเตอรมาก และไมมการเกดปฏกรยาจง

ไมมการสกกรอนหรอเปลยนสภาพของขวไฟฟา ท�าให Superca-

pacitor สามารถชารตไฟไดหลายลานครงโดยไมเสอม ดงนน ใน

รถไฟฟาจงมการน�า Supercapacitor มาใชคกบแบตเตอร โดยให

แบตเตอร เชน แบตเตอรแบบ Lithium-ion เปนแหลงพลงงานหลก

(primary energy source) ทท�าหนาทใหพลงงานเพอขบใหไดในระยะ

ไกล และใช Supercapacitor ท�าหนาทเกบเกยวพลงงานทเกนและ

พลงงานทไดระหวางการเบรครถและใชตอนเรงรถเพอออกตว ดงนน

นกวจยทวโลกจงหนมาสนใจพฒนา Supercapacitor ให ม

ประสทธภาพสงขนโดยสามารถเกบประจไดมากขนตอหนวยน�าหนก

ซงปจจบนกสามารถท�าไดถง 50-65 วตตชวโมงตอกโลกรม เทยบกบ

แบตเตอรลเธยมไออนซงอยท 100-200 วตตชวโมงตอกโลกรม และ

พยายามลดตนทนใหไดอยางนอย 100 เหรยญดอลลารสหรฐฯ ตอ

กโลวตตชวโมง ($/kWh) เมอเทยบกบแบตเตอรซงปจจบนอยทราคา

300-500 เหรยญดอลลารสหรฐฯ ตอกโลวตตชวโมง และเมอไมนาน

มาน นกวจยทวโลกตางแขงขนกนวจยเพอสรางตวเกบประจยงยวดท

มประสทธภาพสงขน โดยใชองคความรดานวสดนาโน ตวเกบประจ

ยยวดทใชอยในปจจบนสวนมากจะใชคารบอนทมรพรนสงจมลงไป

ในอเลกโตรไลทเหลวท�าใหมความหนาแนนของพลงงานต�า (low

energy density) โดยปกตแลวอยทประมาณ 5-8 วตตชวโมงตอ

กโลกรม ท�าใหตองชารตไฟบอยครง หนงในวสดทถกน�ามาใชเพม

ประสทธภาพของตวเกบประจยงยวดมากทสดในปจจบน คอ กราฟน

(graphene) ซงเปนวสดคารบอนทมโครงสรางแบบสองมต มนกวจย

ทวโลกสนใจน�ากราฟนมาใชเปนขวไฟฟาอเลกโทรด ลาสดนกวจยชาว

ออสเตรเลยจากมหาวทยาลย Monarch กไดทดลองสรางตวเกบ

ประจไฟฟายงยวดจากกราฟน ซงท�าใหไดความหนาแนนของพลงงาน

ประมาณ 60 วตตชวโมงตอกโลกรม ซงเทยบเทากบแบตเตอรรถยนต

แบบตะกวกบกรดทเราคนเคยกนด หรอเมอเรว ๆ น ทมนกวจยจาก

UCLA ไดสรางตวเกบประจไฟฟายงยวดจากกราฟนทเกบประจได

สงกวาถานกมมนตถง 20 เทา และคายพลงงานไดเรวกวาแบตเตอร

ชนดลเธยมไอออนประมาณ 100 เทา และยงมอกหลายกลมวจย

ทวโลกทยงมการพฒนาตอไปเพอใหความหนาแนนพลงงานสงขน

เรอย ๆ จนในทสด เราอาจจะไมตองใชแบตเตอรลเธยมไออนอกเลย

ในยานยนตไฟฟา การแขงขนกนวจยและพฒนาตวเกบประจยงยวด

นท�าใหหลายประเทศทมเงนวจยในดานนเพอเปนผชนะในเกมน

เพราะขนาดของตลาดของตวเกบประจไฟฟายงยวดสงถง 1,200 ลาน

เหรยญสหรฐฯ หรอประมาณ 45,000 ลานบาทในปทผานมา (ขอมล

จาก BCC Research) และคาดการณวาจะสงถง 2,100 ลานเหรยญ

สหรฐฯ หรอประมาณ 100,000 ลานบาท ในป ค.ศ.2018 (ขอมลจาก

IDTechEX) ดงนน ไมแปลกใจทนกวจยทวโลกจะแขงขนกนอยาง

ดเดอด โดยนกวจยจากจนมการจดสทธบตรในเทคโนโลยทเกยวของ

กบตวเกบประจแบบยงยวดนมากทสดในโลก สงถงรอยละ 25 ของ

ทงโลก รองมาเปนสหรฐอเมรกา ฝรงเศส ญปน และเกาหลใต ยงถา

เรามาดในรายบรษททมการถอครองสทธบตรทเกยวของกบตวเกบ

ประจแบบยงยวดมากทสด ไดแก Samsung ถอครองสทธบตรมาก

&Worldwide

September-October 2016, Vol.43 No.248 7 <<<

ถงรอยละ 29 ของทวโลก และอนดบท 2 ถง 4 กเปนมหาวทยาลยใน

เกาหลใต มบรษทสตารทอพมากมายทพยายามทจะสรางตวเกบประจ

ยงยวดดวยวสดกราฟนออกมาจ�าหนาย เชน บรษท Graphene Labs,

Graphenex, Angstron Supercapacitor เปนตน หวงวาตวเกบประจ

ยงยวดจากกราฟนจะสามารถทดแทนการใชแบตเตอรในยานยนต

ไฟฟาในไมชา เราจะไดไมตองพงแบตเตอรและสามารถชารตไฟฟา

ไดอยางรวดเรว

ในการผลตตวกกเกบประจไฟฟายงยวดดวยวสดกราฟนนน

มปจจยตาง ๆ ทเกยวกบเทคโนโลยทน�ามาใชในการผลตกราฟนและ

ตวเกบประจยงยวดดวยกราฟนเพอใหไดตวเกบประจยงยวดทม

ประสทธภาพสงเทยบเทาแบตเตอรแบบลเธยมไอออนทใชกนอยทวไป

ในยานยนตไฟฟาปจจบน ในยโรปมโครงการเรอธง (flagship project)

ทมชอโครงการวา Electrograph เพอผลตขวไฟฟากราฟนส�าหรบตว

เกบประจไฟฟายงยวดเชงพาณชย โดยเนนวจยเพอคนหาเทคโนโลย

ในการสงเคราะหกราฟนคณภาพสงในปรมาณมากและทส�าคญ คอ

ใหมตนทนราคาถกทสด รวมทงศกษาการผลตขวไฟฟาประสทธภาพ

สงจากกราฟนในหลากหลายวธ นอกจากนยงศกษาความเปนพษ

ของกราฟนเมอทงสสภาพแวดลอมในกรณทอปกรณเหลานเสอม

สภาพหรอหมดอาย และการน�ากราฟนกลบมาใชใหมเมอตวเกบประจ

ยงยวดหมดอายการใชงาน ขณะเดยวกนทางกระทรวงพลงงานของ

ประเทศสหรฐอเมรกา (Department of Energy หรอ DoE) กลงทน

วจยรวมกบบรษท Angstron Material ซงภายหลงแยกตวออกมาเปด

เปนบรษท Angstron Supercapacitor และบรษท K2 Energy เพอ

ผลตขวไฟฟาอาโนดดวยวสดไฮบรดระหวางกราฟนและซลกอน

ส�าหรบแบตเตอรแบบลเธยมไอออน เพอเพมประสทธภาพการกกเกบ

พลงงานไดสงถง 650 mAh/g และยดอายการใชงาน โดยอนภาคซล

กอนจะถกเคลอบลงบนแผนกราฟนหรอเสนใยกราฟน ลาสดบรษท

XG Sciences สามารถผลตตวเกบประจยงยวดทมความจจ�าเพาะสง

ถง 1500 mAh/g และมการสญเสยพลงงานนอยมาก โดยนอกจากจะ

มงเนนการผลตตวเกบประจยงยวดส�าหรบยานยนตไฟฟาแลว ยงเนน

การผลตตวเกบประจยงยวดส�าหรบอปกรณกกเกบพลงงานไฟฟาแบบ

เครอขาย (grid storage) และการใชงานบนอวกาศอกดวย ปญหาท

ส�าคญของการผลตตวเกบประจยงยวดจากวสดกราฟน คอ การหา

ทางผลตกราฟนในปรมาณมาก (mass production) ในราคาถก ซง

วธการทวไป คอ การใชวธการทางเคม โดยน�ากรดอยางแรงไปกดผง

กราไฟตเพอแยกแผนกราฟนออกมาไดเปนกราฟนออกไซด แลวจง

น�าไปก�าจดอะตอมออกซเจนออกดวยปฏกรยารดกชน แตวธการ

ดงกลาวไมเปนมตรตอสงแวดลอม เพราะมของเสยเปนกรดจ�านวน

มหาศาลระหวางกระบวนการผลต ดงนน จงมความพยายามจากนก

วจยทวโลกทจะหาทางสงเคราะหกราฟนดวยวธการอน ๆ ทดกวา หนง

ในวธทนาจะเปนค�าตอบ คอ การแปลงกาซคารบอนไดออกไซดใน

อากาศ ซงมอยมากมายมหาศาลและเปนตนเหตของกาซเรอนกระจก

และกอใหเกดภาวะโลกรอน น�ามาสงเคราะหกราฟนโดยใชปฏกรยา

ทเรยกวา Metallothermic โดยเผาธาตแมกนเซยมและสงกะสใน

กาซคารบอนไดออกไซดทอณหภมสง ไดเปนโลหะออกไซดและ

กราฟนทมรพรนมากมาย แลวจงแยกกราฟนออกมา และน�าโลหะ

ออกไซดกลบไปเผา ไดโลหะตงตนและสามารถน�ากลบไปใชใหม ดวย

กระบวนการนท�าใหไดกราฟนทมรพรนสงเหมาะส�าหรบน�าไปผลตเปน

ขวไฟฟากราฟนเปนอยางยง เพราะจะมพนทผวใหเกดปฏกรยาเคม

ไฟฟามากขนมหาศาล อยางไรกตาม ปจจบนกราฟนยงมราคาสงถง

ประมาณ 40-50 ดอลลารสหรฐฯ หรอเทากบ 1,200-1,500 บาทตอ

กโลกรม เมอซอในปรมาณเปนตน (1,000 kg) หวงวาในเรววนน เรา

จะคนหาวธสงเคราะหกราฟนในปรมาณมาก ในราคาตนทนทถกลง

มากกวานอก แลวความฝนทเราจะใชรถยนตทขบเคลอนดวยตวเกบ

ประจยงยวดดวยกราฟนกจะเปนจรงในไมชา ประเทศไทยมแผนจะ

สงเสรมใหเกดการผลตและน�ารถไฟฟามาใช แตเรายงขาดเทคโนโลย

ทเปนหวใจส�าคญทสดของรถไฟฟา นนคอ เทคโนโลยแบตเตอรและ

ตวเกบประจไฟฟายงยวด หวงวาปญหานรฐบาลนาจะน�าไปขบคด

และระดมสรรพก�าลงนกวจยและผเชยวชาญ และตองทมเงนวจยใน

เทคโนโลยนอยางเตมท และตองเขาใจวา องคความรเหลานไมได

สงสมภายในเวลาไมกป การขาดการวางแผนและขาดการใหงบวจย

เพอวจยในเรองทเปนอนาคตเปนปญหาและจดออนทเกดขนแลวใน

แวดวงวทยาศาสตรเทคโนโลยและนวตกรรมบานเรา ถาสถานการณ

ยงคงเปนแบบน เราคงตองน�าเขาแบตเตอรและอปกรณพวกนจาก

ตางประเทศ น�าสนคาเกษตรไปแลกสนคาไฮเทคและกลบมาเปนขยะ

อเลกทรอนกสทเตมไปดวยมลพษและทงไวในบานเราเพอลกหลาน

เราตอไป