รางวัลโนเบล, แบตเตอรี ลิเทียม -ไอออน, นวัตกรรมเปลี่ยนวิถีมนุษย์ - NGthai.com

รางวัลโนเบล, แบตเตอรีลิเทียมไอออน, นวัตกรรมเปลี่ยนวิถีมนุษย์

ภาพวาด จอห์น บี. กูดีนัฟ  (John B. Goodenough) เอ็ม. สแตนลีย์ วิตติงแฮม (M. Stanley Whittingham) และ อากิระ โยชิโนะ (Akira Yoshino) ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2019 โดย Niklas Elmehed ขอบคุณภาพจาก https://www.nobelprize.org/


รางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 2019 ตกเป็นของบรรดานักวิทยาศาสตร์ที่คิดค้นแบตเตอรี ลิเทียม -ไอออน ที่โลกให้ความสนใจ เนื่องจากเป็นนวัตกรรมที่อยู่ใกล้ชิด และเปลี่ยนวิถีชีวิตมนุษย์ไปตลอดกาล

รางวัลโนเบล เป็นรางวัลประจำปีที่ยกย่องเชิดชูความสำเร็จทางสติปัญญาอันโดดเด่นของมนุษยชาติ ได้รับการยอมรับจากชาวโลกว่าเป็นรางวัลอันทรงเกียรติสูงสุด ที่จะมอบให้แก่ผู้สร้างผลงานเป็นที่ยกย่องใน 6 สาขา ได้แก่ ฟิสิกส์ เคมี วรรณกรรม สรีรวิทยาหรือการแพทย์ การส่งเสริมสันติภาพ และเศรษฐศาสตร์

เมื่อวันที่ 9 ตุลาคม ที่ผ่านมา (ตามเวลาท้องถิ่นในสวีเดน) ได้มีการประกาศรางวัลโนเบลสาขาเคมี ประจำปี 2019 โดยราชบัณฑิตสภาด้านวิทยาศาสตร์แห่งสวีเดน โดยผู้ที่ได้รับรางวัลในสาขานี้มีอยู่ 3 คน คือ เอ็ม. สแตนลีย์ วิตติงแฮม (M. Stanley Whittingham) จอห์น บี. กูดีนัฟ  (John B. Goodenough) และ อากิระ โยชิโนะ (Akira Yoshino)

ผลการประกาศรางวัลในครั้งนี้ได้รับความสนใจจากชาวโลก เพราะนักวิทยาศาสตร์ทั้ง 3 ท่านได้รับรางวัลจากผลงานพัฒนา แบตเตอรี ลิเธียม -ไอออน ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่สามารถเติมพลังงาน หรือชาร์จไฟเข้าไปใหม่ได้ อันเป็นนวัตกรรมที่ใกล้ตัวชาวโลก และเปลี่ยนโลกใบนี้ไปทั้งใบ ดังที่คณะกรรมการผู้ตัดสินรางวัลให้ความเห็นว่า

พวกเขาได้สร้างโลกที่ชาร์จพลังงานใหม่ได้

การพัฒนาแบตเตอรีลิเทียม-ไอออน ที่มีน้ำหนักเบาและเก็บพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ ได้นำเอาไปใช้ในทุกสิ่งทุกอย่าง นับตั้งแต่โทรศัพท์มือถือ คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กพกพา และรถยนต์พลังงานไฟฟ้า รวมไปถึงสามารถเป็นแหล่งเก็บรักษาพลังงานไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์และพลังงานลม (พลังงานที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้) ทำให้สังคมที่ปลอดการใช้พลังงานฟอสซิลสามารถเป็นไปได้

นั่นหมายความว่าพลังงานแบตเตอรรีลิเทียม-ไอออนจะกลายเป็นความหวังสำคัญที่จะช่วยบรรเทาปัญหาการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ ซึ่งเกิดจากการใช้พลังงานฟอสซิล

ลิเทียม
แบตเตอรีโทรศัพท์มือถือที่เราใช้กันอย่างแพร่หลายในทุกวันนี้คือแบตเตอรีประเภทลิเทียม-ไอออน ขอบคุณภาพจาก https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery

เอ็ม. สแตนลีย์ วิตติงแฮม ปัจจุบันอายุ 77 ปี เป็นศาสตราจารย์อยู่ที่มหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน มหาวิทยาลัยของรัฐที่นิวยอร์ก สหรัฐอเมริกา โดยเขาหวังมาตลอดว่าเทคโนโลยีแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนจะต้องเติบโต “แต่ไม่เคยคิดว่าจะเติบโตมาได้ขนาดนี้ เราไม่เคยจินตนาการเลยว่ามันจะแพร่หลายในสิ่งที่เรียกว่าไอโฟน (สมาร์ตโฟน)”

ด้าน จอห์น บี. กูดีนัฟ ปัจจุบันอายุ 97 ปี เป็นศาสตราจารย์อยู่ที่มหาวิทยาลัยเทกซัส ออสติน เขากลายเป็นผู้ได้รับรางวัลโนเบลที่มีอายุมากที่สุด แต่ยังคงทำงานวิจัยอยู่

ส่วนอากิระ โยชิโนะ นั้นสังกัดอยู่องค์กร Asahi Kasei Corporation และเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัย Meijo University ณ เมืองนาโกยา ประเทศญี่ปุ่น หลังจากได้รับรางวัล เขากล่าวว่า เขารู้สึกยินดีที่เทคโนโลยีนี้สามารถช่วยแก้ปัญหาเรื่องการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ และเรียกแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนว่าเป็นแบตเตอรีที่ “เหมาะสมในสังคมที่ยั่งยืน”

ลิเทียม, รถยนต์ไฟฟ้า
แบตเตอรีลิเทียม-ไอออนเป็นส่วนประกอบสำคัญของรถยนต์ไฟฟ้า ที่จะเข้ามามีบทบาทมากขึ้นในวิถีชีวิตมนุษย์ในอนาคต

กว่าจะมาเป็นแบตเตอรีที่ชาร์จไฟได้

อันที่จริงแล้ว แบตเตอรีที่สามารถชาร์ตไฟได้นั้นเริ่มมีตั้งแต่ปี 1859 เป็นแบตเตอรี่ที่ทำจากตะกั่ว-กรด (lead–acid battery) ซึ่งยังคงใช้ในการจุดพลังงานให้กับรถยนต์ประเภทเครื่องดีเซลและเบนซินจนถึงทุกวันนี้ แต่ในช่วงเวลานั้นยังมีขนาดและน้ำหนักที่ใหญ่เทอะทะ

ต่อมาในปี 1899 ได้มีการประดิษฐ์แบตเตอรี่ประเภทนิกเกิล-แคดเมียม (Nickel-Cadmium) ซึ่งมีประสิทธิภาพที่ด้อยกว่า แต่มีขนาดที่พอเหมาะมากขึ้น

จุดเปลี่ยนแรกในการพัฒนาแบตเตอรีลิเทียม-ไอออน คือการเกิดวิกฤตน้ำมันในช่วงทศวรรษที่ 1970 ในประเทศแถบอาหรับ ที่ทำให้บรรดานักวิทยาศาสตร์ต่างหาหนทางที่ไม่พึ่งพาพลังงานฟอสซิล เอ็ม สแตนลีย์ วิตติงแฮม ซึ่งในขณะนั้นทำงานอยู่ที่บริษัทน้ำมันได้คิดหาวิธีการเก็บพลังงานที่สามารถทดแทนได้ และพลังงานสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

วิตติงแฮมจึงเริ่มศึกษาตัวนำยิ่งยวด (Super Conductor) จนออกมาเป็น ลิเทียม-ไอออน แหล่งเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ทำมาจากแผ่นไทเทเนียมดิซัลไฟด์ และโลหะลีเทียม เกิดเป็นแบตเตอรีชาร์จไฟซ้ำได้ที่มีขนาดแรงดันไฟฟ้า 2 โวลต์ โดยผลงานงานของวิตติงแฮมถือเป็นแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนรุ่นแรก ซึ่งยังมีอุปสรรคสำคัญคือ โลหะลีเทียมนั้นไวต่อปฏิกิริยาจนสามารถเกิดระเบิดขึ้นได้ง่าย

ลิเทียม
กูดีนัฟเริ่มใช้โคบอลต์ออกไซด์ในแคโทดของแบตเตอรีลิเทียม ซึ่งทำให้แบตเตอรีลิเทียมไอออนมีพลังงานไฟฟ้ามากขึ้น ขอบคุณภาพจาก https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/popular-information

จอห์น บี. กูดีนัฟ ได้เข้ามาสานต่องานจากวิตติงแฮม เขามีความคิดว่า แคโทด (บริเวณด้านที่เกิดการรับอิเล็กตรอนจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี) จะมีประสิทธิภาพมากขึ้นถ้าแบตเตอรีทำจากออกไซด์ของโลหะ (metal oxide) แทนการใช้ซัลไฟด์โลหะ (metal sulphide) จนในปี 1980 เขาสามารถแสดงให้เห็นว่า การใช้โคบอลต์ออกไซด์ (cobalt oxide) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกับไทเทเนียมดิซัลไฟด์ เข้าไปสอดตัวกับลิเทียม-ไอออน สามารถส่งผลให้มีการปล่อยกระแสไฟไฟฟ้าได้มากถึง 4 โวลต์ (เป็นจำนวนสองเท่าที่วิตติงแฮมเคยทำเอาไว้) เป็นการค้นพบอันสำคัญที่ทำให้แบตเตอรีมีพลังงานได้มากขึ้น

อากิระ โยชิโนะ เข้ามาสานต่อสิ่งที่กูดีนัฟได้ทำไว้ โดยเขาเป็นผู้ที่ทำให้แบตเตอรีสามารถแพร่หลายในเชิงพาณิชย์มากขึ้น โดยใช้วิธีการแทนที่ลิเทียมในฝั่งขั้วลบ (anode) โดยการใช้ปิโตรเลียมโค้ก (Petroleum coke) วัตถุคาร์บอนที่คล้ายคลึงกลับแคโทดของโคบอลต์ออกไซด์ เข้าไปสอดตัวกับลิเทียม-ไอออน ซึ่งผลที่ได้คือ แบตเตอรีที่มีน้ำหนักเบา พกพาสะดวก และสามารถชาร์จไฟได้ใหม่เป็นร้อยครั้งก่อนที่แบตจะเสี่อมคุณภาพไป

แบตเตอรีที่อากิระพัฒนาขึ้นได้เริ่มวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปี 1991 และได้กลายเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์พกพาต่างๆ ที่ต้องใช้พลังงานไฟฟ้า มาจนถึงปัจจุบัน

ลิเทียม
แบบจำลองการทำงานของแบตเตอรีลิเทียมไออนของอากิระ โยชิโนะ ขอบคุณภาพจาก ขอบคุณภาพจาก https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/popular-information

ข้อเสียที่ยังแก้ไม่ตกของแบตเตอรรีลิเทียม-ไอออน

อย่างไรก็ตาม แม้แบตเตอรีลิเทียม-ไอออนจะเป็นนวัตกรรมวิเศษเปลี่ยนโลก แต่มันก็ยังมีจุดที่ไม่สมบูรณ์ซึ่งยังรอการแก้ไข
ดังที่เราทราบกันดีว่า แบตเตอรรี-ไอออนเมื่อมีการใช้และชาร์จไฟใหม่ไปนานๆ เข้า ก็สามารถเกิดอาการ “แบตเสื่อม” คือภาวะที่แบตเตอรีลิเทียม-ไอออนไม่สามารถเก็บรักษาพลังงานไว้ได้นานมากพอ เช่นเดียวกับที่มีการใช้งานในช่วงแรกๆ

นอกจากนี้ การออกแบบแบตเตอรรีลีเทียม-ไอออนที่ผิดวิธี (ซึ่งต้องทำให้สอดคล้องกับการออกแบบของอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี) อาจทำให้มัน “ระเบิด” ขึ้นได้

มีหลายกรณีที่บริษัทยักษ์ใหญ่ต้องเรียกคืนอุปกรณ์เนื่องจากมีปัญหาเกี่ยวกับปลอดภัยของแบตเตอรี เช่น เมื่อเร็วๆ นี้ บริษัทซัมซุงได้ประกาศเรียกคืน Galaxy Note 7 เนื่องจากพบปัญหาแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนระเบิด

ในอีกด้านหนึ่ง เมื่อเปรียบเทียบกับชิปประมวลผล ทั้งในคอมพิวเตอร์หรือโทรศัพท์มือถือ ซึ่งในระยะหลังมีการพัฒนาให้ประมวลผลได้รวดเร็วขึ้นอย่างต่อเนื่อง แบตเตอรรีลิเทียม-ไอออนกลับพัฒนาประสิทธิภาพการเก็บกระแสไฟฟ้าได้ช้ากว่า ซึ่งการพัฒนาอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์หรือซอฟต์แวร์ที่ทรงพลังเพิ่มขึ้น นั่นหมายถึงการใช้พลังงานจากแบตเตอรีที่เพิ่มขึ้น และหมายถึงการต้องนำไปชาร์จไฟบ่อยครั้ง จนเกิดภาวะแบตเสื่อมตามมา จึงเป็นโจทย์สำคัญต้องมีการพัฒนาแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนให้เท่าทันกับอุปกรณ์ใช้ไฟฟ้าพกพาที่นับวันยิ่งมีความซับซ้อนและทรงประสิทธิภาพมากขึ้น

ลิเทียม
ภาพน้ำเกลือที่อุดมด้วยลิเทียมถูกสูบจากใต้ผิวดินลึกลงไปถึง 20 เมตรขึ้นมาพักไว้ในบ่อระเหย โบลีเวีย ในทวีปอเมริกาใต้ เป็นเป็นหนึ่งในประเทศประเทศที่มีปริมาณแร่ลิเทียมสำรองสูงสุดแห่งหนึ่งของโลก

นอกจากนี้ แม้จะได้ชื่อว่าเป็น แหล่งพลังงานที่ปลอดคาร์บอน แต่นั่นก็ไม่ได้หมายความว่ากระบวนการผลิตจะเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเสียทีเดียว เพราะการสกัดลิเทียมใช้กระบวนเดียวกับการสกัดแร่ ซึ่งส่วนหนึ่งต้องใช้ต้องใช้น้ำเกลือในการสกัด อีกวิธีหนึ่งคือการสกัดจากหินคล้ายกับการสกัดแร่ทั่วไป โดยแร่ลิเทียมนี้มีอยู่มากในทวีปอเมริกาใต้ ซึ่งการสกัดแร่ลีเทียมส่งผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมที่อยู่โดยรอบ และการเติบโตของแบตเตอรีลิเทียม-ไอออน อาจนำมาสู่การสกัดแร่ลิเทียมเกินขนาดได้เช่นเดียวกัน

และปฏิเสธไม่ได้เลยว่า การใช้แบตเตอรีลิเทียม-ไอออนเป็นสาเหตุสำคัญของการเกิด “ขยะอิเล็กทรอนิกส์” โดยในสหรัฐอเมริกา มีแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนเพียงร้อยละ 5 เท่านั้นที่มีการจัดเก็บและนำไปใช้ใหม่อย่างถูกวิธี ในส่วนพื้นที่อื่นๆ ของโลก แบตเตอรีลิเทียม-ไอออนยังก่อให้เกิดปัญหาขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่อันตรายและรอได้รับการแก้ไข

แม้จะมีจุดที่ยังต้องรอการปรับปรุงอีกมากมาย แต่เราก็ไม่อาจปฏิเสธได้ว่าแบตเตอรรีลิเทียม-ไอออนคือนวัตกรรมที่ “เปลี่ยนวิถีชีวิตมนุษย์” ไปในแบบที่ไม่มีวันหวนกลับ

เพราะในปัจจุบันนี้ เราคงไม่สามารถใช้ชีวิตโดยที่ไม่พึ่งพิงอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรีลิเทียม-ไอออนได้อีกแล้ว

แหล่งอ้างอิง

3 นักวิทย์ผู้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน คว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมี 2019

Press release: The Nobel Prize in Chemistry 2019

Lithium-Ion Batteries Work Earns Nobel Prize in Chemistry for 3 Scientists

Nobel chemistry prize: Lithium-ion battery scientists honoured


อ่านเพิ่มเติม ลิเทียม : ทองคำสีขาวที่ขับเคลื่อนโลกอนาคต ลิเทียม

เรื่องแนะนำ

หลักฐานฟอสซิลเผยปริศนาการทวีชนิดพันธุ์สัตว์ยุคแคมเบรียน

ฟอสซิลเก่าแก่อายุ 570 ล้านปี ช่วยไขปริศนาว่า สรรพชีวิตบนโลกพัฒนาอย่างก้าวกระโดด จากจุลชีพแสนเรียบง่าย กลายเป็นสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่และสลับซับซ้อนได้อย่างไร

ชมคลิปวิดีโอที่เผยกลไกการทำงานอันน่าทึ่งของปีกเต่าทองเป็นครั้งแรก

22 พฤษภาคม 2017 เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถมองเห็นกลไกการทำงานภายในปีกของเต่าทองได้อย่างชัดเจน ปีกของเต่าทองซึ่งเป็นแมลงในอันดับ Coleoptera (ด้วงชนิดต่างๆ) มีความยืดหยุ่นมากพอที่จะพับเก็บได้อย่างซับซ้อนน่าทึ่ง แต่แข็งแรงพอสำหรับใช้บิน ปกติแล้ว กระบวนการพับปีก (ชั้นใน) จะถูกซ่อนไว้เบื้องหลังปีกซึ่งมีลักษณะเป็นเกราะแข็ง (elytra เอกพจน์คือ elytron) ซึ่งเป็นปีกคู่แรกของแมลงเหล่านี้ และมีสีสันโดดเด่นเป็นเอกลักษณ์ เช่น แดง และดำ นักวิทยาศาสตร์สร้างปีกแข็งเทียมขึ้นแล้วนำไปติดไว้กับตัวแมลงเพื่อเผยกระบวนการพับปีกชนิดที่ทำให้เราเห็นรายละเอียดอันน่าทึ่ง การศึกษาการออกแบบและกลไกแห่งโลกธรรมชาตินี้อาจนำไปสู่การพัฒนาวิทยาการทางวิศวกรรมศาสตร์ของมนุษย์ให้ดีขึ้น   อ่านเพิ่มเติม : อะไรคือกุญแจสำคัญที่ทำให้ฉลามมาโกครีบสั้นเป็นฉลามที่รวดเร็วที่สุด?, แมลงสาบมีดีอะไรถึงอยู่มาได้หลายล้านปี ชมคลิปวิดีโอที่เผยความทรหดทนทายาดของสัตว์ที่ได้ชื่อว่า อึดที่สุดชนิดหนึ่งในโลก

ค้นพบดีเอ็นเอของชนพื้นเมืองอเมริกันที่ไม่เคยถูกพบมาก่อน

จีโนมของมนุษย์โบราณนี้เป็นรูปแบบที่ไม่เคยพบมาก่อน เชื่อกันว่าพวกเขาแยกสายวิวัฒนาการออกมาจากชนพื้นเมืองในอเมริกาเผ่าอื่นๆ เมื่อราว 10,000 ปีก่อน