×

รู้จัก ‘ลิเทียมไอออน’ นวัตกรรมชาร์จไฟให้โลก ผลงานของ 3 นักวิทยาศาสตร์ที่คว้ารางวัลโนเบลเคมี 2019

10.10.2019
  • LOADING...

HIGHLIGHTS

3 MINS. READ
  • สมาร์ทโฟน แท็บเล็ต คอมพิวเตอร์พกพา นาฬิกาอัจฉริยะ และรถยนต์ไฟฟ้า สิ่งของเหล่านี้เป็นจริงขึ้นมาได้ด้วยอุปกรณ์เก็บพลังงานไฟฟ้าขนาดพกพา ที่จ่ายไฟและชาร์จไฟซ้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ นั่นก็คือแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน
  • แบตเตอรี่ที่ชาร์จซ้ำได้หลายครั้ง ทั้งยังปลอดภัยและน้ำหนักเบา ได้ถือกำเนิดขึ้นแล้วและวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์เมื่อปี 1991 พาให้โลกก้าวเข้าสู่ยุคอุปกรณ์พกพาอย่างสมบูรณ์
  • และนี่คือผลงานเปลี่ยนโลกของ 3 นักวิทยาศาสตร์ผู้สร้างคุณภาพชีวิตที่ดีในศตวรรษที่ 20 ให้กับมนุษย์เรา ได้แก่ จอห์น บี. กูดอีนัฟ, เอ็ม. สแตนลีย์ วิตติงแฮม และ อากิระ โยชิโนะ

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

 

พระเอกของเรื่องคือ ‘ลิเทียม’

ไฟฟ้าเกิดจากการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุลบที่เรียกว่า ‘อิเล็กตรอน’

 

องค์ประกอบพื้นฐานของแบตเตอรี่จึงประกอบไปด้วยขั้วบวกกับขั้วลบที่แช่อยู่ในของเหลวนำไฟฟ้าได้ เรียกว่า อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) โดยที่มีตัวกั้นเพื่อป้องกันไม่ให้ขั้วบวกกับขั้วลบมาสัมผัสกันจนเกิดการลัดวงจร เมื่อเรานำสายไฟมาต่อเข้ากับขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ อิเล็กตรอนจึงวิ่งได้ครบวงจร เกิดเป็นกระแสไฟฟ้าขึ้น

 

ขั้วบวกของแบตเตอรี่จำเป็นจะต้องใช้วัสดุที่พร้อมจะปล่อยประจุลบ และถ้าจะให้ดีก็ควรจะมีน้ำหนักไม่มาก นี่คือข้อดีของลิเทียม (Lithium) ธาตุที่เป็นพระเอกในรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปีนี้

 

 

Photo: www.nobelprize.org

 

 

 

ลิเทียมจัดเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบาที่สุดในตารางธาตุ มันประกอบไปด้วยโปรตอนและนิวตรอนอย่างละ 3 อนุภาค เป็นแกนกลาง และมีอิเล็กตรอนอีก 3 อนุภาค วิ่งวนอยู่โดยรอบ อิเล็กตรอนเดี่ยวที่อยู่วงนอกสุดนั้นจะหลุดออกไปจากอะตอมของลิเทียมได้ง่ายมาก ทำให้ลิเทียมเปลี่ยนสภาพเป็นไอออนประจุบวก และเกิดปฏิกิริยาทางเคมีได้

 

นวัตกรรมที่เกิดจากวิกฤตการณ์

‘ในวิกฤตย่อมมีโอกาส’ คำกล่าวนี้ตรงกับเรื่องราวการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนอย่างแท้จริง

 

ในช่วงปี 1973 เกิดวิกฤตการณ์ราคาน้ำมันในโลกตะวันตก ส่งผลให้เกิดความต้องการแหล่งพลังงานใหม่มาแทนที่น้ำมัน ทำให้ สแตนลีย์ วิตติงแฮม ตัดสินใจพัฒนาแบตเตอรี่ขนาดพกพา เพื่อนำไปใช้ในรถยนต์พลังงานไฟฟ้า

 

Photo: www.nobelprize.org

 

ฝั่งขั้วบวก สแตนลีย์ วิตติงแฮม ใช้แผ่นไทเทเนียมไดซัลไฟด์ (Titanium Disulfide) ซ้อนกันหลายๆ ชั้น ส่วนฝั่งขั้วลบทำมาจากโลหะลิเทียม เกิดเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ที่มีแรงดันไฟฟ้า 2 โวลต์ (ถ่านไฟฉายโดยทั่วไปมีแรงดัน 1.5 โวลต์)

 

Photo: www.nobelprize.org

 

อย่างไรก็ตาม ใครที่เรียนเคมีมาจะรู้ดีว่า ข้อดีของโลหะลิเทียมเป็นบ่อเกิดของข้อเสียอย่างใหญ่หลวง เพราะมันไวต่อการเกิดปฏิกิริยามากเกินไปจนอาจระเบิดได้ เขาจึงพัฒนาต่อ โดยนำอะลูมิเนียมมาผสมกับลิเทียม และเปลี่ยนอิเล็กโทรไลต์เสียใหม่

 

Photo: www.nobelprize.org 

 

จอห์น กูดอีนัฟ ได้เข้ามาพัฒนาแบตเตอรี่ต่อ โดยเขาใช้ความรู้เกี่ยวกับออกไซด์ของโลหะ (สารประกอบที่เกิดขึ้นจากออกซิเจนทำปฏิกิริยากับโลหะ) ออกแบบขั้วบวกขึ้นมาใหม่ การเปลี่ยนขั้วบวกเป็นโคบอลต์ออกไซด์ (Cobalt Oxide) ทำให้แบตเตอรี่ของเขาจ่ายไฟได้ 4 โวลต์

 

แรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นนี้เรียกได้ว่า เป็นก้าวที่ยิ่งใหญ่สำหรับวงการเคมีเลยทีเดียว

 

การก้าวเข้ามาของลิเทียมไอออน

ในขณะที่งานวิจัยด้านแบตเตอรี่ในโลกตะวันตกมีความนิยมลดลงไปตามราคาน้ำมัน

 

ประเทศญี่ปุ่นกลับมีความต้องการที่จะเห็นแบตเตอรี่ใช้ซ้ำได้ขนาดพกพาให้เกิดขึ้นได้จริง เพื่อนำมาใช้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อากิระ โยชิโนะ จึงเข้ามารับไม้ต่อในวงการแบตเตอรี่

 

Photo: www.nobelprize.org

 

อากิระ โยชิโนะ ปรับปรุงฝั่งขั้วลบของแบตเตอรี่ โดยเปลี่ยนไปใช้ปิโตรเลียมโค้ก (Petroleum Coke) ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่มาจากการกลั่นน้ำมัน ซึ่งมันกักเก็บไอออนของลิเทียมได้เป็นอย่างดี นอกจากนี้ยังปราศจากโลหะลิเทียมบริสุทธิ์ อิเล็กตรอนจึงวิ่งไปมาระหว่างขั้วลบ (ไอออนของลิเทียมและปิโตรเลียมโค้ก) กับขั้วบวก ซึ่งเป็นโคบอลต์ออกไซด์ได้โดยแทบไม่เกิดปฏิกิริยากับสารอื่นๆ เลย

 

แบตเตอรี่ที่ชาร์จซ้ำได้หลายครั้ง ทั้งยังปลอดภัยและน้ำหนักเบา ได้ถือกำเนิดขึ้นแล้วและวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์เมื่อปี 1991 พาให้โลกก้าวเข้าสู่ยุคอุปกรณ์พกพาอย่างสมบูรณ์

 

ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้ถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง นอกเหนือจากนี้มันยังใช้กักเก็บพลังงานไฟฟ้าจากกังหันลมและเซลล์แสงอาทิตย์ได้อีกด้วย เรียกได้ว่า เป็นนวัตกรรมที่ปฏิวัติวิถีชีวิตของมนุษย์ยุคใหม่ได้อย่างแท้จริง

 

 

พิสูจน์อักษร: ภาวิกา ขันติศรีสกุล

อ้างอิง:

  • LOADING...

READ MORE




Latest Stories