จากระแสรถยนต์ไฟฟ้าที่เติบโตแบบก้าวกระโดด สิ่งที่หลายคนกังวลมากที่สุด คือ เรื่องของแบตเตอรี่
โดยเฉพาะแบตเตอรี่ที่ใช้รถยนต์ไฟฟ้าอย่าง แร่ลิเธียม(Lithium) หรือแบตเตอรี่ลิเธียม (Lithium Battery)
ไม่ว่าจะเป็นลิเธียมฟอสเฟต (Lithium Ion Phosphate : LFP), ลิเธียมนิเคิลแมงกานิสโคบอลต์ออกไซด์
(Lithium Nikel Manganese Cobalt Oxide:NMC) หรือ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (Lithium Cobalt Oxide : LCO) ที่นิยมเรียกว่า ลิเธียมไออน
ซึ่งต่างก็ใช้แร่ลิเธียมที่เป็นแร่หายากและมีวันหมดไป ส่งผลให้ราคาของรถยนต์ไฟฟ้าที่ยังใช้แบตเตอรี่ลิเธียม
ยังคงมีราคาที่แพง
ทำให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่หลายค่ายพยายามหาแร่ทางเลือกอื่นไม่ว่าจะเป็น โซเดียมหรือกราฟีน
และแน่นอนอย่างแร่ Vanadium/วาเนเดียม ที่เราจะมาพูดถึงกันว่าจะเป็นทางออกทำให้ราคาของรถยนต์ไฟฟ้าถูกลงได้หรือไม่
แร่ Vanadium/วาเนเดียม
ข้อดีของแร่ Vanadium คือ ไม่ใช่แร่หายากหรือมีอยู่อย่างจำกัด ซึ่งหาได้ง่ายจากประเทศจีน,รัสเซีย,
แอฟริกาใต้ และบราซิล
ประวัติของแร่ Vanadium/วาเนเดียม
มีการใช้แร่ Vanadium ตั้งแต่ปี 1980 ชื่อแบตเตอรี่ที่ใช้ คือ Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB)
ซึ่งถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์ครั้งแรกในโลกที่ประเทศญี่ปุ่น โดยบริษัท Sumitomo Electric Industries
เป็นบริษัทที่มีการผลิตเทคโนโลยีเกี่ยวกับการผลิตพลังงานไฟฟ้าในประเทศญี่ปุ่น ซึ่งได้มีการนำแบตเตอรี่ Vanadium Redox Flow มาใช้ในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าที่โรงไฟฟ้าที่เมือง Shimabara ในประเทศญี่ปุ่น
นั้นถือว่าเป็นจุดเริ่มต้นการนำเทคโนโลยีแบตเตอรี่ Vanadium Redox Flow มาใช้ในงานจริง
โรงไฟฟ้าที่ใช้แบตเตอรี่ Vanadium Redox Flow สามารถกักเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ถึง 3.6 เมกะวัตต์
หลักการทำงานของ Vanadium Redox Flow Batteries (VRFB)
สำหรับโครงสร้างหลักการทำงานของแบตเตอรี่ Vanadium Redox Flow ซึ่งคำว่า Redox ย่อมาจาก Reduction โดยปกติปฏิกิริยาเคมีมี 2 แบบ คือ ปฏิกิริยาที่ปล่อยประจุออกมา เรียกว่า Oxidation ส่วนที่ปฏิกิริยาที่แลกเปลี่ยนประจุแบบรับ เรียกว่า Reduction
ถ้าดูจากโครงสร้างของแบตเตอรี่ในรูปแบบของโรงไฟฟ้า จะมีถังทรงกระบอกขนาดใหญ่จำนวน 2 ถัง
แต่ละถังบรรจุอิเล็กโทรไลต์ โดยจะมีถังที่บรรจุอิเล็กโทรไลต์รับประจุบวกและถังที่บรรจุอิเล็กโทรไลต์รับประจุลบ ในรูปแบบของเหลวที่ผสมผง Vanadium ช่วงเวลาที่ทำการผลิตพลังงานไฟฟ้าจะปั๊มของเหลวจาก 2 ถัง หมุนมาเจอที่ตรงกลางเรียกว่า Fuel Cell Stack โดยที่ใน Fuel Cell Stack จะตัวแผ่นที่เรียกว่า แผ่น Membrane หรือ PEM (Proton Exchange Membrane) ที่กั้นไม่ให้ของเหลวทั้ง 2 มาเจอกัน แต่สิ่งที่ยอมให้ผ่านคือ ประจุอิเล็กตรอนหรือไฟฟ้าเท่านั้น
อิเล็กตรอนจะวิ่งผ่านมาจนเกิดกระแสไฟฟ้าออกมาที่ปล่อยมาจาก Fuel Cell Stack แล้วนำกระแสไฟฟ้าที่
เกิดขึ้นมาใช้งาน
ส่วนเวลาต้องการกักเก็บพลังงานไฟฟ้า จะนำกระแสไฟฟ้าป้อนเข้าไปใน Fuel Cell Stack แล้วประจุจะถูกแยกไปเก็บในอิเล็กทรอไลต์
การเปรียบเทียบคุณสมบัติระหว่างแบตเตอรี่ Vanadium และ Lithium
1. Energy Density หรือ ความหนาแน่นในการจุพลังงาน
หากดูจากโครงสร้างของแบตเตอรี่ Vanadium จะใช้ของเหลวเป็นหลักจากถังบรรจุอิเล็กโทรไลต์ทั้งประจุบวกและประจุลบ ส่วนถ้าเป็นแบตเตอรี่ Lithium ตัวบวกและลบจะใช้เป็นแท่งโลหะแล้วมีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของเหลวในการนำไฟฟ้า ดังนั้นแบตเตอรี่ Lithium จึงมีโอกาสที่ความหนาแน่นจะสูงมากกว่า
ซึ่งแบตเตอรี่ Vanadium มีความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่า Lithium โดยจะมีความหนาแน่นในการจุพลังงาน
อยู่ที่ 25 – 50 Wh/ลิตร หรือถ้าเทียบเป็นน้ำหนักจะอยู่ที่ 35 – 80 Wh/KG
ส่วนแบตเตอรี่ Lithium มีความหนาแน่นในการจุพลังงานอยู่ที่ 100 – 265 Wh/ลิตร หรือถ้าเทียบเป็นน้ำหนักจะอยู่ที่ 100 – 250 Wh/KG
เห็นได้ว่าแบตเตอรี่ Lithium มีความหนาแน่นมากกว่าประมาณ 3 – 4 เท่าตัว
2. Power Output
แบตเตอรี่ Vanadium ที่มีลักษณะการผลิตไฟฟ้าเป็น Membrane คือ ใช้การปั๊มของเหลวอิเล็กโทรไลต์ออกมา โดยสามารถผลิตไฟฟ้าที่มีความเสถียรสูงมาก แต่ให้พลังงานออกมาค่อนข้างน้อย
แต่ถ้าเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ Lithium – ion จะสามารถจ่ายพลังงานไฟฟ้าได้จำนวนมากในช่วงเวลาสั้น ๆ
ซึ่งจะเหมาะสมกับการนำไปใช้กับรถยนต์ไฟฟ้า ที่ต้องการความเร็วสูงในช่วงเวลาอันสั้น ซึ่ง Lithium – ion สามารถจ่ายไฟฟ้าได้มากกว่า 2 – 3 เท่า แล้วแต่แบตเตอรี่
3. อายุการใช้งาน
แบตเตอรี่ Lithium อายุการใช้งานจะขึ้นอยู่กับ 2 ปัจจัย คือ ความร้อนและกระแสไฟฟ้าที่หมุนเวียน
ที่ยิ่งใช้เวลาในการชาร์จไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว หรือดึงกระแสไฟฟ้าออกมาในปริมาณมาก จะเกิดความร้อน
ทำให้อายุการใช้งานลดลง ประกอบกับตัวแบตเตอรี่ที่เป็นของแข็งจึงสะสมความร้อนได้ค่อนข้างมาก
ส่วนแบตเตอรี่ Vanadium ที่เป็นของเหลวและจ่ายไฟฟ้าได้ปริมาณน้อยและชาร์จไฟฟ้าได้ไม่มาก
ดังนั้นอายุการใช้งานจึงมากกว่า
หากเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ Lithium ที่จะต้องมี liquid Cooling สำหรับการระบายความร้อนด้วยของเหลว แต่แบตเตอรี่ Vanadium ที่อยู่ในรูปแบบของเหลว จึงไม่ต้องกังวลเรื่องของความร้อน
ดังนั้นแบตเตอรี่ Vanadium มีอายุการใช้งานมากกว่า 20 ปี ส่วนแบตเตอรี่ Lithium มีอายุการใช้งานประมาณ 10 ปี ทางค่ายรถยนต์ไฟฟ้าส่วนใหญ่จะรับประกันแบตเตอรี่อยู่ที่ 8 ปี ที่จะค่อย ๆ เสื่อมสภาพลงตามการใช้งาน
ด้านความปลอดภัย
เรื่องความปลอดภัยเป็นสิ่งที่หลายคนกังวลเป็นอันดับแรก จากที่เห็นว่ารถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้ Lithium ส่วนใหญ่
ถ้าเกิดการเฉี่ยวชนจนแบตเตอรี่เกิดการเสียหาย โอกาสที่จะเกิดไฟลุกไหม้มีสูงมาก
ส่วนแบตเตอรี่ Vanadium ขึ้นชื่อเรื่องของความปลอดภัย เพราะระบบเป็นของเหลวจากที่ได้กล่าวไว้
ทำให้ในระบบเกิดความร้อนได้น้อยมากและไม่ติดไฟ ดังนั้นความปลอดภัยจึงมากกว่าแบบ Lithium
หากมองที่ Lithium – ion ซึ่งตัว Lithium เมื่อโดนอากาศจะติดไฟ และการจ่ายประจุไฟฟ้าปริมาณมาก
หรือใช้เวลาชาร์จไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว จะทำให้เกิดความร้อนสะสมเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดไฟไหม้
ด้านประสิทธิภาพ
คือ ประสิทธิภาพด้านการคายและเก็บประจุไฟฟ้า
แบตเตอรี่ Vanadium จะมีประสิทธิภาพการเก็บ – คายประจุอยู่ที่ประมาณ 70 -75% โดยอาจจะมีการสูญเสียในเรื่องของความร้อนเล็กน้อย
ส่วนแบตเตอรี่ Lithium จะมีประสิทธิภาพในการเก็บ – คายประจุสูงถึง 80 – 90% และการสูญเสียพลังงานระหว่างทางน้อยกว่า
ด้านต้นทุนหรือราคา
ต้นทุนสำหรับการผลิตแบตเตอรี่แบบพร้อมใช้งาน
สำหรับแบตเตอรี่ Lithium จากข้อมูลของบลูมเบิร์กบอกว่า ถ้าเป็น Lithium – ion ปัจจุบันต้นทุนจะอยู่ที่
137 USD/kWh และอาจถูกลงอยู่ที่ 100 USD/kWh หรือตีเป็นเงินไทยอยู่ที่ประมาณ 3,000 บาท ภายในปี 2023
ทั้งนี้ การใช้จริงจะไม่ใช้เฉพาะแบตเตอรี่เซลล์เพียงอย่างเดียว แต่จะใช้เป็นลักษณะแบตเตอรี่แพ็คที่มี
การประกอบทั้ง แบตเตอรี่แพ็ค, โมดูล, BMS และการต่อสายไฟในแบตเตอรี่แพ็ค เพื่อนำมาใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า
ดังนั้นการคำนวณต้นทุนของ Lithium – ion ต้องคิดจากแบตเตอรี่แพ็ค ซึ่งจะอยู่ที่ประมาณ
350 – 400 USD/kWh
ส่วน Vanadium Redox Flow Batteries ถ้านำแร่มาทำเป็นโครงสร้างพร้อมที่จะผลิตไฟฟ้าและนำไปใช้งานได้ จะมีต้นทุนอยู่ที่ 500 USD/kWh จะมีราคาต้นทุนที่แพงกว่า Lithium เพราะการใช้แร่ Vanadium ยังไม่แพร่หลาย
หากในอนาคตมีการนำมาใช้เป็นจำนวนมาก จะส่งผลให้ราคาถูกลง
ถ้าดูจากคุณสมบัติของแบตเตอรี่ Vanadium และแบตเตอรี่ Lithium จะมีความแตกต่างอย่างชัดเจนทั้งในเรื่องของ Energy Density, ความปลอดภัย, การลงทุน, การติดตั้ง และการกักเก็บพลังงาน
รูปแบบการนำไปใช้งานของแบตเตอรี่ Vanadium และ Lithium
ถ้าเป็นแบตเตอรี่ Vanadium จะเหมาะสมสำหรับการนำไปใช้ในโรงไฟฟ้า เพราะเป็น Energy Storage System
ในการกักเก็บพลังงานไฟฟ้า จากโครงสร้างที่มีขนาดใหญ่และการลงทุนที่มีต้นทุนราคาสูง แต่สามารถต่อท่อ
โดยวางท่อ Infrastructure นำของเหลวอิเล็กโทรไลต์ไปต่อเชื่อมโยงทำหลาย ๆ ครั้ง จะสามารถกักเก็บพลังงาน
ได้มากขึ้น
จะเหมือนกับการวาง Infrastructure ของโรงไฟฟ้านับว่าเป็นข้อดี ประกอบกับโรงไฟฟ้าต้องการพลังงาน
ที่มีความสม่ำเสมอและมีความปลอดภัย รวมทั้งแบตเตอรี่ Vanadium มีอายุการใช้งานมากกว่า 20 ปีขึ้นไป
ส่วนแบตเตอรี่ Lithium จะเหมาะสมกับรถยนต์ไฟฟ้าที่มีพื้นที่จำกัด การจ่ายพลังงานไฟฟ้าจำนวนมาก
และใช้เวลาชาร์จไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งแบตเตอรี่ Lithium มีการพัฒนาให้ปล่อยพลังงานไฟฟ้าได้มากขึ้นและ
ใช้เวลาชาร์จไฟฟ้าเร็วขึ้น รวมทั้งมีน้ำหนักเบาและใช้พื้นที่น้อยจึงตอบโจทย์กับการใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า
นอกจากนี้มีการใช้ลิเธียมฟอสเฟต (LFP) มาเป็น Energy Storage System ตามบ้านเรือน
การรีไซเคิลแบตเตอรี่
แบตเตอรี่ Vanadium จากโครงสร้างของแบตเตอรี่ที่เป็นของเหลว ทำให้ง่ายต่อการรีไซเคิล โดยแยก
ผง Vanadium ออกมาจากของเหลว ทำให้สามารถรีไซเคิลได้สูงสุดมากกว่า 90%
แบตเตอรี่ Lithium สามารถรีไซเคิลได้ประมาณ 70 – 80% จากที่มีองค์ประกอบหลายอย่าง อาทิ ขั้วที่เป็นโลหะ และแพ็คเกจ เป็นต้น ส่งผลให้ขั้นตอนการรีไซเคิลมีความซับซ้อนมากกว่า Vanadium
สรุป แบตเตอรี่ Vanadium จะสามารถนำมาใช้แทน Lithium ได้ในบางอุตสาหกรรมเท่านั้น ซึ่งหากมองอุตสาหกรรมที่นำมาใช้จำนวนมาก อย่าง Gadget หรือรถยนต์ไฟฟ้า ตัวแบตเตอรี่ที่กักเก็บพลังงานได้มากที่สุด
จะเป็น Lithium NMC โดยจะนำไปใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า High Performance ที่ใช้ความเร็วสูงและสามารถวิ่งได้ใน
ระยะทางไกล
รองลงมาจะเป็นลิเธียมไอออน และลิเธียมฟอสเฟต (LFP) ซึ่งกลุ่มนี้จะใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าที่มีความเร็วต่ำและเป็นรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้ในตัวเมือง ที่ไม่ต้องการการบรรจุพลังงานไฟฟ้าปริมาณมากเท่ากับแบบ NMC ดังนั้นจึงเลือก
ที่จะใช้ลิเธียมฟอสเฟต (LFP) แทน ที่มีความปลอดภัยมากกว่าแบบ NMC รวมทั้งมีการนำมาใช้เป็น Energy Storage System ตามบ้านเรือน
ส่วนแบตเตอรี่เกลือ หรือกราฟีน ที่มีการใช้รองลงมาจากลิเธียมฟอสเฟต (LFP) โดยนำมาใช้กับยานยนต์ที่วิ่งด้วยความเร็วไม่มาก หรือใช้เป็น Energy Storage System พลังงานไฟฟ้าจากโซล่าเซลล์และกังหันลม จากเรื่องของความปลอดภัยและมีราคาถูกลงกว่าครึ่ง
ลงมาจะเป็น Vanadium ที่ถูกนำไปใช้เป็น Energy Storage System สำหรับโรงไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่ที่จะต้องใช้พื้นที่ค่อนข้างมาก
ซึ่งโรงไฟฟ้ามี 2 ตัวเลือกที่จะนำมาใช้ คือ แบตเตอรี่ Vanadium ที่บริษัท Sumitomo Electric Industries
มาใช้งาน หรือไฮโดรเจนที่ใช้พิ้นที่ค่อนข้างน้อย และมี Energy Density หรือ ความหนาแน่นในการจุพลังงานมากกว่า Vanadium
แต่ด้วยเรื่องของความปลอดภัยที่มีข้อน่ากังวลจากตัวไฮโดรเจนที่สามารถติดไฟ การดูแล Infrastructure การเก็บอุณหภูมิ แรงดันสูง และอุณหภูมิต่ำ ทำให้การลงทุน Infrastructure จะมีราคาต้นทุนแพงกว่า Vanadium
และนี้คือเรื่องราวของแร่ Vanadium/วาเนเดียม ที่คุณสามารถดูได้จากคลิปด้านล่าง และถ้าหากคุณชอบคลิปนี้ ขอฝาก กดLIKE กด SHARE และกด SUBSCRIBE ที่ช่องของพวกเราด้วยนะครับ
