เจาะลึกการผลิตแบตเตอรี่: จาก Lithium-ion สู่ Solid State

อุตสาหกรรมการผลิตแบตเตอรี่กำลังเผชิญความท้าทายจากต้นทุนการลงทุนที่สูงลิ่ว บทความนี้เจาะลึกตั้งแต่ส่วนผสมในกระบวนการผลิตลิเธียมไอออนพื้นฐาน ไปจนถึงนวัตกรรม Solid-State จากสาร Argyrodite ที่สถาบัน PSI ทดสอบสำเร็จในเซลล์กระดุม ข้อมูลสำคัญสำหรับผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ไทยและผู้ประกอบการโรงงานประกอบแบตเตอรี่ เพื่อเตรียมปรับสายการผลิตรับเทคโนโลยีใหม่ที่ปลอดภัยกว่าเดิม

Table of Contents

• กระบวนการผลิตมาตรฐานสำหรับเซลล์ Lithium-ion
  • การผสม การอบแห้ง และการรีดแผ่น (Calendering)
  • การตัดแยก ประกอบเซลล์ และตรวจสอบคุณภาพ
• ทางเลือกใหม่ที่ยั่งยืน: แบตเตอรี่ Sodium-ion
• จุดเด่นของแบตเตอรี่ Solid State: ไร้ความเสี่ยงไฟไหม้
• ข้อจำกัดสองประการที่ขัดขวางแบตเตอรี่ Solid State
• การพัฒนาโครงสร้าง ‘Argyrodite’ ด้วยเทคนิค Sintering แบบอ่อน
• การ Sintering แบบอ่อนผนวกกับการเคลือบลิเธียมฟลูออไรด์
• เซลล์ทดลองแบบเหรียญ (Coin Cell) พิสูจน์ความทนทาน

สายการผลิตเซลล์แบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานระดับอุตสาหกรรม เป็นการลงทุนที่มีมูลค่าสูงถึงหลักหลายร้อยล้านยูโร หากเกิดข้อผิดพลาดหรือระบบล้มเหลวกลางคันย่อมสร้างความเสียหายทางเศรษฐกิจมหาศาล ผู้ผลิตจึงต้องเผชิญแรงกดดันอย่างหนักในการรีดประสิทธิภาพ ลดอัตราของเสีย และรับประกันความปลอดภัยในทุกจุดเชื่อมต่อ เพื่อให้ทันต่อการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสะอาด (Mobility Transition) ภายในปี 2030

กระบวนการผลิตมาตรฐานสำหรับเซลล์ Lithium-ion

โครงสร้างพื้นฐานที่เล็กที่สุดของเซลล์ Lithium-ion มีรูปแบบคล้ายคลึงกันทั้งหมด ประกอบด้วยขั้วไฟฟ้า 2 ขั้วและแผ่นกั้น (Separator) ขั้วลบคือ Anode และขั้วบวกคือ Cathode ระบบจะถูกกระตุ้นด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่นำไอออนเพื่อใช้ในการลำเลียงประจุ ตามข้อมูลอ้างอิงจากสถาบัน RWTH Aachen และสมาคม VDMA

กระบวนการเริ่มต้นจากการนำวัตถุดิบต่างๆ มาผสมให้เข้ากันในเครื่องผสมหลังผ่านการตรวจสอบคุณภาพ สูตรผสมสำหรับขั้ว Anode และ Cathode จะมีความแตกต่างกัน วัสดุหลักของขั้ว Anode คือสารประกอบคาร์บอนอย่าง Graphite ในสัดส่วน 90% ตามด้วยเขม่าดำ (Carbon Black) 5% รวมถึงตัวทำละลายสูตรน้ำ สารยึดเกาะ และสารเติมแต่งอื่นๆ ส่วนขั้ว Cathode ใช้สูตรที่คล้ายคลึงกัน แต่วัสดุหลักคือสารประกอบลิเธียม-โคบอลต์-ออกซิเจน ในสัดส่วน 90% เช่นกัน

การผสม การอบแห้ง และการรีดแผ่น (Calendering)

กระบวนการผสมประกอบด้วยหลายขั้นตอนและสามารถปรับความเร็วในการกวนได้ โดยเริ่มจากการผสมแบบแห้ง (Dry Mixing) ตามด้วยการผสมแบบเปียก (Wet Mixing) จากนั้นส่วนผสมจะถูกลำเลียงผ่านระบบท่อภายใต้ความดันบรรยากาศ

วัสดุเหล่านี้จะถูกนำไปเคลือบบนแผ่นฟอยล์โลหะ โดยใช้ฟอยล์ทองแดงสำหรับขั้ว Anode และฟอยล์อะลูมิเนียมสำหรับขั้ว Cathode สารผสมจะถูกฉีดพ่นลงบนฟอยล์ผ่านหัวฉีดแบบสล็อต (Slot Die) บนแผ่นฟอยล์ที่มีความกว้างสูงสุด 900 มิลลิเมตร จากนั้นจึงเข้าสู่กระบวนการอบแห้งในเตาอบแบบลอยตัว (Flotation Dryer) ความร้อนจะดึงตัวทำละลายออกจากระบบ โดยระยะเวลาในการระเหยจะขึ้นอยู่กับความยาวของเตาอบ ภายในสายการอบแห้งจะมีการตั้งค่าโปรไฟล์อุณหภูมิที่แบ่งออกเป็นโซนต่างๆ ขั้นตอนสุดท้ายคือการรีดแผ่น (Calendering) ซึ่งวัสดุขั้วไฟฟ้าจะถูกบีบอัดให้แน่นขึ้นผ่านลูกกลิ้งหมุน

การตัดแยก ประกอบเซลล์ และตรวจสอบคุณภาพ

ขั้นตอนถัดมาเรียกว่าการตัดซอย (Slitting) ซึ่งม้วนอิเล็กโทรดแผ่นกว้าง (Mutter-Coil) จะถูกตัดแบ่งออกเป็นม้วนย่อย (Tochter-Coils) ที่มีความกว้างระหว่าง 100 ถึง 300 มิลลิเมตร ตามด้วยการอบแห้งแบบสุญญากาศ (Vacuum Drying) จากนั้นอิเล็กโทรดจากม้วนย่อยจะถูกตัดแยกชิ้นด้วยเครื่องปั๊มตัดหรือเลเซอร์

การประกอบโครงสร้างทางเคมีไฟฟ้าจะทำผ่านกระบวนการม้วน (Winding) เพื่อสร้างเซลล์ที่ประกอบด้วย Anode, Cathode และ Separator เข้าด้วยกัน ก่อนจะทำการเติมอิเล็กโทรไลต์ลงในเซลล์ จากนั้นจึงเข้าสู่ขั้นตอนการชาร์จและดิสชาร์จครั้งแรก (Formation) ในระหว่างกระบวนการนี้จะเกิดก๊าซขึ้น ซึ่งก๊าซจะถูกกักเก็บไว้ในถุงและถูกตัดแยกออกจากแบตเตอรี่ (Degassing)

ท้ายที่สุดคือการตรวจสอบเซลล์เพื่อหาการลัดวงจรภายใน คุณสมบัติของเซลล์จะถูกประเมินผ่านการวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (Open-Circuit Voltage: OCV) หากแรงดันไฟฟ้าไม่มีการเปลี่ยนแปลง แสดงว่าเซลล์แบตเตอรี่นั้นผ่านเกณฑ์และพร้อมสำหรับการบรรจุหีบห่อ ภาพรวมของกระบวนการทั้งหมดนี้ใช้เม็ดเงินลงทุนในระดับหลายร้อยล้านยูโร

ทางเลือกใหม่ที่ยั่งยืน: แบตเตอรี่ Sodium-ion

ด้วยต้นทุนการผลิตที่สูงและการพึ่งพาวัตถุดิบหายาก กระทรวงการวิจัย เทคโนโลยี และอวกาศแห่งสหพันธรัฐเยอรมนี (BMFTR) จึงได้ริเริ่มโครงการ ‘SIB:DE Entwicklung’ ซึ่งเป็นความร่วมมือด้านเทคโนโลยีแบตเตอรี่ Sodium-ion ที่ใหญ่ที่สุดของเยอรมนี โดยมีพันธมิตรจากภาควิทยาศาสตร์และอุตสาหกรรมถึง 25 รายร่วมกันพัฒนาทางเลือกที่ยั่งยืน ปลอดภัย และคุ้มค่ากว่าแบตเตอรี่ Lithium-ion

เป้าหมายหลักคือการผลิตเซลล์แบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่พร้อมจำหน่ายในตลาด ควบคู่ไปกับการประเมินความสามารถในการรีไซเคิล แบตเตอรี่ Sodium-ion เป็นทางเลือกที่น่าจับตามองและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากใช้โซเดียมซึ่งหาได้ง่าย (พบได้ในเกลือแกง) แทนที่ลิเธียมซึ่งมีราคาแพง หายาก และต้องพึ่งพาแหล่งวัตถุดิบจากจีนเป็นหลัก นอกจากนี้โซเดียมยังมีความปลอดภัยในการจัดการสูงกว่า โครงการนี้จึงตั้งเป้าสร้างระบบนิเวศ (Ecosystem) การผลิตแบตเตอรี่ Sodium-ion แบบครบวงจรในยุโรป เพื่อยกระดับขีดความสามารถในการแข่งขันให้ทัดเทียมกับตลาดเอเชีย

จุดเด่นของแบตเตอรี่ Solid State: ไร้ความเสี่ยงไฟไหม้

นอกเหนือจากทางเลือกด้านวัสดุแล้ว ความปลอดภัยยังเป็นความท้าทายใหญ่ของอุตสาหกรรม เป็นที่ทราบกันดีว่าอิเล็กโทรไลต์เหลวในแบตเตอรี่ Lithium-ion สามารถติดไฟและก่อให้เกิดอันตรายได้ เนื่องจากมีส่วนประกอบของคาร์บอเนตอินทรีย์ที่ไวไฟ

แบตเตอรี่ Solid State ถือเป็นเทคโนโลยีที่เข้ามาปิดจุดอ่อนนี้เพราะไม่ต้องใช้อิเล็กโทรไลต์เหลว ทำให้มีความปลอดภัยสูงกว่ามาก โดยเปลี่ยนมาใช้อิเล็กโทรไลต์แบบแข็ง (Solid Electrolyte) ซึ่งให้ประโยชน์ถึงสองต่อ คือปลอดภัยจากของเหลวไวไฟ และรองรับ Anode โลหะลิเธียมแบบบางที่ให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า ซึ่งอาจช่วยให้ยานยนต์ไฟฟ้าในอนาคตมีระยะทางขับขี่ที่ไกลขึ้นอย่างก้าวกระโดด

ข้อจำกัดสองประการที่ขัดขวางแบตเตอรี่ Solid State

แม้อนาคตจะดูสดใส แต่อุปสรรคสำคัญที่ทำให้เทคโนโลยีนี้ยังไม่พร้อมสู่ตลาดยังมีสองประการหลัก:

1. การก่อตัวของลิเธียม Dendrite: โครงสร้างโลหะแหลมเล็กๆ คล้ายเข็มที่แทงทะลุอิเล็กโทรไลต์แข็งระหว่างขั้วไฟฟ้า และลุกลามไปยังขั้ว Cathode จนทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายใน
2. ความไม่เสถียรทางเคมีไฟฟ้า: เกิดขึ้นบริเวณรอยต่อระหว่าง Anode โลหะลิเธียมและอิเล็กโทรไลต์แข็ง ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพในระยะยาว

เพื่อเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้ ทีมวิจัยที่นำโดย Mario El Kazzi หัวหน้ากลุ่มแบตเตอรี่และการวินิจฉัยที่สถาบัน Paul Scherrer Institut (PSI) ได้พัฒนากระบวนการผลิตแบบใหม่

“เราได้ผสมผสานสองแนวทางเข้าด้วยกัน ซึ่งไม่เพียงช่วยเพิ่มความหนาแน่นให้กับอิเล็กโทรไลต์ แต่ยังช่วยรักษาสภาพความเสถียรของรอยต่อกับลิเธียมไปพร้อมกัน” El Kazzi อธิบาย ทีมงานได้ตีพิมพ์ผลการวิจัยนี้ในวารสารวิทยาศาสตร์ Advanced Science

การพัฒนาโครงสร้าง ‘Argyrodite’ ด้วยเทคนิค Sintering แบบอ่อน

งานวิจัยของ PSI มุ่งเน้นไปที่อิเล็กโทรไลต์แข็งประเภท ‘Argyrodite’ ชนิด Li₆PS₅Cl (LPSCl) แร่ชนิดนี้มีการนำไฟฟ้าของลิเธียมไอออนสูง ช่วยให้การลำเลียงไอออนทำได้รวดเร็ว ที่ผ่านมาการนำอิเล็กโทรไลต์ชนิดนี้มาใช้มักล้มเหลวเนื่องจากไม่สามารถบีบอัดวัสดุให้แน่นพอที่จะป้องกันไม่ให้เกิดช่องว่างที่ Dendrite สามารถแทรกซึมได้ เพื่อแก้ปัญหานี้ ทีมของ El Kazzi จึงเลือกใช้วิธีการควบคุมอุณหภูมิที่นุ่มนวลกว่าการ Sintering แบบดั้งเดิม โดยการอัดแร่ด้วยแรงดันปานกลางที่อุณหภูมิเพียงประมาณ 80 องศาเซลเซียส

การ Sintering แบบอ่อนผนวกกับการเคลือบลิเธียมฟลูออไรด์

การ Sintering แบบอ่อนนี้ประสบความสำเร็จเป็นอย่างดี ความร้อนและแรงดันระดับปานกลางช่วยให้อนุภาคจัดเรียงตัวได้อย่างเหมาะสมโดยไม่ทำลายความเสถียรทางเคมี รูพรุนจะถูกบีบอัดจนช่องว่างขนาดเล็กปิดสนิท ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างจุลภาคที่หนาแน่นและทนทานต่อการแทรกซึมของลิเธียม Dendrite

อย่างไรก็ตาม ลำพังเพียงการ Sintering แบบอ่อนยังไม่เพียงพอต่อการรองรับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่สูงระหว่างกระบวนการชาร์จอย่างรวดเร็ว เซลล์ Solid State จึงได้รับการปรับแต่งเพิ่มเติม โดยเคลือบสารลิเธียมฟลูออไรด์ (Lithium Fluoride) ที่มีความหนาเพียง 65 นาโนเมตรภายใต้สุญญากาศ ให้เป็นฟิล์มบางเฉียบเพื่อทำหน้าที่เป็นชั้นฟิล์มป้องกัน (Passivation Layer) บริเวณรอยต่อระหว่างขั้ว Anode และอิเล็กโทรไลต์แข็ง

เซลล์ทดลองแบบเหรียญ (Coin Cell) พิสูจน์ความทนทาน

ชั้นฟิล์มบางที่แทรกกลางนี้ทำหน้าที่ช่วยป้องกันการสลายตัวทางเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรไลต์แข็งเมื่อสัมผัสกับลิเธียม (ยับยั้งการเกิดลิเธียมที่เสื่อมสภาพ) และทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นทางกายภาพที่ป้องกันไม่ให้ลิเธียม Dendrite แทรกซึม ในการทดสอบระดับห้องปฏิบัติการกับแบตเตอรี่แบบเหรียญ (Coin Cell) แบตเตอรี่ที่ผลิตด้วยโครงสร้างนี้แสดงประสิทธิภาพที่โดดเด่น

“ความเสถียรของรอบการทำงานภายใต้แรงดันไฟฟ้าสูงนั้นถือว่ามีความโดดเด่นมาก” Jinsong Zhang นักศึกษาระดับปริญญาเอกและผู้เขียนหลักของงานวิจัยกล่าว

หลังจากผ่านการชาร์จและดิสชาร์จถึง 1,500 รอบ เซลล์ดังกล่าวยังคงรักษาความจุไว้ได้ประมาณ 75% ของความจุเริ่มต้น ผลลัพธ์นี้ทำให้ทีมของ El Kazzi สามารถพิสูจน์ได้ว่า การผสมผสานระหว่างการ Sintering อิเล็กโทรไลต์แข็งแบบอ่อนและการเคลือบชั้นฟิล์มป้องกันบางๆ สามารถยับยั้งการก่อตัวของ Dendrite และความไม่เสถียรของรอยต่อได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งถือเป็นการทลายขีดจำกัดสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่ Solid State สำหรับอุตสาหกรรมในอนาคต

MM