มารู้จักแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน กันเถอะ

ก่อนอื่น ต้องขอกล่าวสวัสดีปีใหม่ 2023 กับผู้อ่านทุกท่านนะครับ ในนามของผู้เขียนบทความ ตัวแทนของบริษัท ซายน์ สเปค จำกัด และ ไลโฟมิกส์ จำกัด ขออำนาจสิ่งศักดิ์สิทธิ์ทั้งหลาย ได้โปรดดลบันดาลความสุข ความเจริญ ความสมหวัง สุขภาพที่แสนดี ดี๊ ดีให้กับทุกๆคนนะครับ 

จากการเปิดตัวรถ EV ทั้งจากค่ายเพื่อนบ้านผู้ยิ่งใหญ่อย่างจีน ซึ่งอิมพอร์ตเข้ามาไม่ว่าจะ MG ซึ่งมีรถ EV ออกมา ตามมาด้วย GWM ที่ส่ง Haval ซึ่งได้รับกระแสตอบรับอย่างดีเยี่ยม นี่ยังไม่นับค่ายใหญ่ที่เปิดตัวทำสถิติการจองอย่าง BYD ปิดท้ายปีด้วยการประกาศการจำหน่ายรถอเมริกัน EV ของอินฟลูคนสำคัญของโลก อีลอน มัสก์ จากค่าย Tesla ซึ่งหลายคนได้เข้าจับจองจนต้องหยุดชั่วคราว รวมถึงรถหรูอย่างค่าย Volvo Audi ที่ทยอยเปิดตัว EV กันออกมา ผู้เขียนเองก็คิดนะครับว่าสักวันจะได้ครอบครองรถ EV สักคันในอนาคตอันใกล้ ..

อย่างที่พวกเราหลายคนอาจทราบกัน หัวใจหลักของรถ EV ซึ่งทำมาเพื่อเป้าหมายคือการลดคาร์บอน จากการสัปดาปเชื้อเพลิงฟอสซิล ดังนั้นจะยืนยัน นอนยัน นั่งยันยังไง ทุกคนก็คงเห็นพ้องต้องกันว่า "แบตเตอรี่" เป็นอุปกรณ์ที่สำคัญ (สุดๆ) ในรถ EV ดังนั้นวันนี้เพื่อไม่ให้เป็นการตกเทรนด์โลก เรามารู้จักเจ้า "ลิเธียม-ไอออน แบตเตอรี่" กันดีกว่าครับ

เจ้าลิเธียม-ไอออน แบตเตอรี่นั้น ถูกเสนอไอเดียมานานแล้วครับผู้อ่าน ตั้งแต่ปี 1973 โดยคุณสแตนลี วิทติ้งแฮม ในรูปด้านบนเลยครับ ช่วงแรกใช้ ไทเทเนียมไดซัลไฟล์เป็นขั้วไฟฟ้าแคโทด ส่วนขั้วแอโนดผลิตจากลิเทียมนั่นเองครับ แต่ด้วยเทคโนโลยีในเวลานั้น ยังสามารถใช้ไฟฟ้าได้เพียงแค่ 2 โวลต์เท่านั้น 

จากนั้นได้มีการพัฒนาแบตเตอรี่ชนิดนี้อย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งปี 1985 คุณ อากิระ โยชิโนะ ได้เอาความรู้ทั้งหมดมาผลิตแบตเตอรี่ลิเทียมออกสู่ตลาด โดยเปลี่ยนแคโทดเป็นโคบอลต์ออกไซด์ และเปลี่ยนมาใช้ปิโตรเลียมโค๊กเป็นแอโนด 

นับจากนั้นเป็นต้นมา แบตเตอรี่ชนิดนี้ ได้กลายเป็นเป็นส่วนประกอบสำคัญของเครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์แบบไร้สาย และอุปกรณ์พกพา และเป็นที่รู้จักกันนับตั้งแต่ปี 1991 เป็นต้นมา

สำหรับในอุตสาหกรรมยานยนต์ ร่วมกลับการผลักดันนโยบายสิ่งแวดล้อมในระดับสากล และพลังงานทดแทนในหลายภูมิภาค นำมาซึ่งการลดการปลดปล่อยคาร์บอน จากการสันดาปเชื้อเพลิงฟอสซิล ทำให้มีความต้องการแบตเตอรี่สูงขึ้นเรื่อยๆ

ปัจจัยหลักที่ทำให้จีนเป็นตลาดยนต์ไฟฟ้าที่ใหญ่ที่สุดในโลก คือนโยบาย New Energy Vehicle (NEV) ซึ่งควบคุมยอดขายรถยนต์ไฟฟ้าอย่างเข้มงวด ช่วยลดช่องว่างราคาระหว่างรถยนต์ฟอสซิลและไฟฟ้า รวมถึงนโยบายสนับสนุน และกลยุทธ์จากรัฐบาล ดังนั้นการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทางจีนได้ออกข้อกำหนด YS/T 798-2012 ออกมา ซึ่งแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนทุกชิ้น จำเป็นต้องผ่านมาตรฐานอย่างเข้มงวด โดยวัตถุดิบในการผลิตอันประกอบด้วย ลิเธียม นิเกิ้ล โคบอลต์ แมงกานีส และโพแทสเซียม ซึ่งเป็นส่วนประกอบสำคัญ

หนึ่งในการวิเคราะห์ธาตุหลักที่เป็นส่วนประกอบสำคัญ และธาตุปนเปื้อนในระดับต่ำ นิยมใช้เทคนิค ICP-OES เป็นอย่างน้อย เนื่องจากเป็นเทคนิคที่ได้รับความเชื่อถือในความถูกต้อง แม่นยำ และยังรวดเร็ว เนื่องจากอัตราส่วนธาตุในแคโทดจะส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ และธาตุปนเปื้อนจะส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยในการใช้งาน ดังที่เราจะเห็นแบตเตอรี่คุณภาพต่ำ หรือไม่ผ่านมาตรฐานมักเกิดการระเบิด ส่วนใหญ่พบว่าเกิดจากการปนเปื้อนของธาตุเกินข้อกำหนด

ทางบริษัท Thermo Fisher Scientific ผู้ผลิตเครื่อง ICP-OES จากประเทศสหรัฐอเมริกาได้เล็งความสำคัญของการผลิตแบตเตอรี่ที่กำลังเพิ่มสูงขึ้น จึงได้ทำการพัฒนาวิธีการตรวจวิเคราะห์ด้วยเครื่องรุ่นใหม่ล่าสุด ที่ได้รับการยกย่องในเรื่องของประสิทธิภาพและความถูกต้องแม่นยำ 

รูปแสดง % Recovery จากการ Spike ธาตุมาตรฐานเพื่อให้เห็นถึงการใช้ได้ของวิธีการวิเคราะห์ตลอดจนประสิทธิภาพเครื่องมือ

การตรวจวัดธาตุซึ่งเป็นวัตถุดิบหลักของแคโทด วิธีการวิเคราะห์ซึ่งทางผู้ผลิตได้พัฒนาไว้ แสดงดังรูปด้านล่าง จะเห็นได้ว่าจากการวิเคราะห์ซ้ำ 7 ครั้ง เพื่อแสดงให้เห็นของความนิ่งของการวิเคราะห์ พบว่าสามารถทำได้อย่างดี มีค่า %RSD ต่ำกว่า 1% 

รูปแสดง Stability test สำหรับการวิเคราะห์ซ้ำ 7 ครั้งในช่วง 2 ชั่วโมง

โดยสรุป

ในกระบวนการผลิตแบตเตอรี่ ธาตุซึ่งเป็นแคโทด จำเป็นต้องมีการวิเคราะห์ปริมาณและอัตราส่วนของธาตุปนเปื้อน ให้ผ่านตามข้อกำหนด เนื่องจากจะส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่และความปลอดภัยของผู้ใช้งาน ด้วยการพัฒนาวิธีวิเคราะห์ให้สอดคล้องกับมาตรฐาน YS/T 798-2012 ทางบริษัท Thermo Fisher Scientific ประเทศสหรัฐอเมริกา จึงได้พัฒนาวิธีวิเคราะห์ผ่านเครื่อง ICP-OES เพื่อแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของการวิเคราะห์และเครื่องมือ สามารถตอบโจทย์มาตรฐานสำคัญในอุตสาหกรรมผลิตแบตเตอรี่ ซึ่งจะมีบทบาทมากในอนาคตของรถไฟฟ้าและเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์

ผู้อ่านสามารถอ่านบทความการพัฒนาการวิเคราะห์ได้ที่ Sensitive determination of elements in lithium batteries using the iCAP PRO XP ICP-OES (thermofisher.com)