ทำไมธาตุลิเทียม (Li) ใน Li ion battery ถึงสามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าออกมาได้?

‘ลิเทียมไอออน’ นวัตกรรมชาร์จไฟให้กับโลก #รางวัลโนเบลสาขาเคมี2019
 
 
รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2019 มอบให้แด่นักวิทยาศาสตร์ผู้สร้างคุณภาพชีวิตที่ดีในศตวรรษที่ 20 ให้กับมนุษย์เรา ได้แก่ จอห์น บี. กูดอีนัฟ (John B. Goodenough) เอ็ม. สแตนลีย์ วิตติงแฮม (M. Stanley Whittingham) และ อากิระ โยชิโนะ (Akira Yoshino) สำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน
 
สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต คอมพิวเตอร์พกพา นาฬิกาอัจฉริยะ และรถยนต์ไฟฟ้า สิ่งของเหล่านี้เป็นจริงขึ้นมาได้ด้วยอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าขนาดพกพา ที่จ่ายไฟและชาร์จไฟซ้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั่นก็คือแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน
 
 
ไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุลบที่เรียกว่า ‘อิเล็กตรอน’
 
องค์ประกอบพื้นฐานของแบตเตอรี่จึงประกอบไปด้วยขั้วบวกกับขั้วลบที่แช่อยู่ในของเหลวนำไฟฟ้าได้ เรียกว่า อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) โดยที่มีตัวกั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ขั้วบวกกับขั้วลบมาสัมผัสกันจนเกิดการลัดวงจร เมื่อเรานำสายไฟมาต่อเข้ากับขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ อิเล็กตรอนจึงวิ่งได้ครบวงจร เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้น
 
ขั้วบวกของแบตเตอรี่จำเป็นจะต้องใช้วัสดุที่พร้อมจะปล่อยประจุลบ และถ้าจะให้ดีก็ควรจะมีน้ำหนักไม่มาก นี่คือข้อดีของลิเทียม (Lithium) ธาตุที่เป็นพระเอกในรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปีนี้
ลิเทียมจัดเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบาที่สุดในตารางธาตุ มันประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 3 อนุภาค เป็นแกนกลาง และมีอิเล็กตรอนอีก 3 อนุภาค วิ่งวนอยู่โดยรอบ อิเล็กตรอนเดี่ยวที่อยู่วงนอกสุดนั้นจะหลุดออกไปจากอะตอมของลิเทียมได้ง่ายมาก ทำให้ลิเทียมเปลี่ยนสภาพเป็นไอออนประจุบวก และเกิดปฏิกิริยาทางเคมีได้
 
‘ในวิกฤตย่อมมีโอกาส’ คำกล่าวนี้ตรงกับเรื่องราวการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนอย่างแท้จริง
 
ในช่วงปี 1973 เกิดวิกฤตการณ์ราคาน้ำมันในโลกตะวันตก ส่งผลให้เกิดความต้องการแหล่งพลังงานใหม่มาแทนที่น้ำมัน ทำให้ สแตนลีย์ วิตติงแฮม ตัดสินใจพัฒนาแบตเตอรี่ขนาดพกพา เพื่อนำไปใช้ในรถยนต์พลังงานไฟฟ้า
 
ฝั่งขั้วบวก สแตนลีย์ วิตติงแฮม ใช้แผ่นไทเทเนียมไดซัลไฟด์ (Titanium Disulfide) ซ้อนกันหลายๆ ชั้น ส่วนฝั่งขั้วลบทำมาจากโลหะลิเทียม เกิดเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ที่มีแรงดันไฟฟ้า 2 โวลต์ (ถ่านไฟฉายโดยทั่วไปมีแรงดัน 1.5 โวลต์)
อย่างไรก็ตาม ใครที่เรียนเคมีมาจะรู้ดีว่า ข้อดีของโลหะลิเทียมเป็นบ่อเกิดของข้อเสียอย่างใหญ่หลวง เพราะมันไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากเกินไปจนอาจระเบิดได้ เขาจึงพัฒนาต่อ โดยนำอะลูมิเนียมมาผสมกับลิเทียม และเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์เสียใหม่
 
(เรียบเรียงโดย ศุภกิจ พัฒนพิฑูรย์)
อ่านต่อได้ที่ https://thestandard.co/lithium-ion-battery/

 

Visitors: 258,173