3 นักวิทยาศาสตร์ ผู้คิดค้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ในยุคที่ผู้คนใช้สมาร์ทโฟนเหมือนเป็นอวัยวะส่วนหนึ่งในร่างกาย เชื่อว่าคงไม่มีใครที่ไม่รู้จัก “แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน” แหล่งพลังงานที่สามารถนำมาชาร์จไฟซ้ำได้ นวัตกรรมที่ถูกนำไปใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ได้ทั่วโลก ทำให้เราสามารถสื่อสาร ทำงาน ศึกษาหาความรู้ หรือฟังเพลงได้จากทุกที่ เป็นบ่อเกิดการพัฒนารถยนต์ไฟฟ้าที่วิ่งได้ในระยะไกล และเป็นเครื่องกักเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์ พลังงานลมได้ และวันนี้ iEnergyGuru จะพาท่านมารู้จักนักวิทยาศาสตร์ 3 ท่าน ผู้ที่คิดค้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จนสามารถคว้ารางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี พ.ศ. 2562 มาครอง

เรื่องราวการค้นพบแบตเตอรี่ ลิเธียม-ไอออน เริ่มต้นจาก ศ.ดร.ไมเคิล สแตนลีย์ วิตติงแฮม (Michael Stanley Whittingham) ผู้เริ่มศึกษางานอันเป็นรากฐานของแบตเตอรี่ในช่วงปี พ.ศ. 2513-2523 และเป็นคนแรกที่ทดลองประดิษฐ์แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟซ้ำได้ ขณะที่ ศ.ดร.จอห์น บานนิสเตอร์ กูดอีนาฟ (John Bannister Goodenough) ค้นพบการพัฒนาศักยภาพของแบตเตอรี่ให้ดียิ่งขึ้นในปี พ.ศ. 2523 สุดท้าย ศ.ดร.อากิระ โยชิโนะ (Akira Yoshino) ผู้พัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้เหมาะสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์เมื่อปี พ.ศ. 2528 โดยเขาพัฒนาจนแบตเตอรี่สามารถชาร์จไฟซ้ำได้หลายร้อยครั้ง

วิตติงแฮม ผู้บุกเบิกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ไมเคิล สแตนลีย์ วิตติงแฮม (Michael Stanley Whittingham) นักเคมีชาวอเมริกันเชื้อสายอังกฤษ เกิดเมื่อวันที่ 22 ธันวาคมพ.ศ. 2484 ณ เมืองนอตทิงแฮม (Nottingham) ประเทศอังกฤษ (England) ศ.ดร.วิตติงแฮม จบการศึกษาระดับปริญญาตรี (พ.ศ. 2507), ระดับปริญญาโท (พ.ศ. 2510) และปริญญาเอก (พ.ศ. 2511) ในสาขาวิชาเคมีจากมหาวิทยาลัยอ๊อกซ์ฟอร์ด(University of Oxford) เขาเป็นผู้ร่วมงานวิจัยที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด (Stanford University) ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2511 จนถึง พ.ศ. 2515 จากนั้นเข้าทำงานที่บริษัทวิจัยและพัฒนาของเอ็กซอน (Exxon Research & Engineering Company) ในเมืองคลินตัน (Clinton) รัฐนิวเจอร์ซี (New Jersey) จนก้าวขึ้นสู่ตำแหน่งผู้จัดการแผนก

ศ.ดร.วิตติงแฮม เมื่อปีพ.ศ. 2522 ในวารสารวิจัยและวิศวกรรมของเอ็กซอน / ภาพจาก - corporate.exxonmobil.com

ในช่วงหลายปีที่เอ็กซอน ศ.ดร.วิตติงแฮมและทีมงานค้นพบว่าเมื่อให้ลิเธียมไอออนอยู่ระหว่างแผ่นไททาเนียมไดซัลไฟด์ ไอออนสามารถย้ายที่กลับไปมาระหว่างขั้วบวกและขั้วลบ จึงทำให้เกิดการสร้างกระแสไฟฟ้าได้ โดยเมื่อแรกที่ ศ.ดร.วิตติงแฮมนำเสนอแบตเตอรี่ที่เขาพัฒนาขึ้น ซึ่งก็คือแบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟใหม่ได้นั้นมีมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่ตอนนั้นเป็นแบตเตอรี่เซลล์ตะกั่ว-กรดที่มีขนาดใหญ่ เป็นแบบที่ทุกวันนี้ยังคงพบในรถยนต์จำนวนมาก ส่วนแบตเตอรี่สังกะสี-คาร์บอนชนิดที่ใช้แล้วทิ้งอย่างที่ใส่ในรีโมตคอนโทรลจะมีการใช้งานอย่างแพร่หลายก็ตาม แต่การที่ต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ใหม่ทุกครั้งหลังใช้หมดสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานมากกว่าอย่างคอมพิวเตอร์คงเป็นเรื่องสิ้นเปลืองและน่าเบื่อ

งานวิจัยก่อนหน้านี้เสนอแนะว่าโลหะลิเธียมที่มีความไวต่อการเกิดปฏิกิริยาสามารถใช้เก็บพลังงานได้ แต่ ศ.ดร.วิตติงแฮมเป็นคนแรกที่ค้นพบวิธีทำจนสำเร็จโดยไม่เสี่ยงกับการระเบิดที่อุณหภูมิห้อง การออกแบบในตอนแรกของเขาใช้ไททาเนียมไดซัลไฟด์ วัสดุที่สร้างกระแสไฟฟ้าขนาด 2.5 โวลต์ และการออกแบบกระบวนการอินเทอร์คาเลชัน (Intercalation) คือการแทรกอะตอมหรือโมเลกุลระหว่างชั้นเพื่อสร้างวัสดุที่มีคุณสมบัติใหม่ ในปี พ.ศ. 2519 เขาสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนครั้งแรก มีแรงเคลื่อนไฟฟ้า 2.5 โวลต์ ด้วยโลหะลิเธียมและไทเทเนียมไดซัลไฟด์

ในปี พ.ศ. 2527 ศ.ดร.วิตติงแฮม ได้ดำรงตำแหน่งผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์กายภาพที่ศูนย์วิจัยสลัมเบอร์เกอร์ดอลล์ (Schlumberger-Doll Research) ในเมืองริดจ์ฟิลด์ (Ridgefield) รัฐคอนเนตทิคัต (Connecticut) ซึ่งเป็นบริษัทที่มุ่งเน้นการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับอุตสาหกรรมปิโตรเลียม และในปี พ.ศ. 2531 เข้าร่วมงานในตำแหน่งศาสตราจารย์ด้านเคมี, วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมที่มหาวิทยาลัยบิงแฮมตัน (Binghamton University) ในนิวยอร์ก จนถึงปัจจุบันนี้

กูดอีนาฟ ผู้พัฒนาแบตเตอรี่ชาร์จซ้ำให้เป็นจริง

จอห์น บานนิสเตอร์ กูดอีนาฟ (John Bannister Goodenough) เป็นนักฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุชาวอเมริกัน เขาเป็นศาสตราจารย์ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสในเมืองออสติน (The University of Texas at Austin) เขามีส่วนสำคัญในการพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขามีส่วนร่วมในการค้นพบวัสดุแคโทดที่สำคัญ

ศ.ดร.กูดอีนาฟ / ภาพจาก - news.utexas.edu

ศ.ดร.กูดอีนาฟเกิดวันที่ 25 กรกฎาคม พ.ศ. 2465 ที่เยนา ประเทศเยอรมนี โดยมีพ่อแม่เป็นชาวอเมริกัน เขาโตมาในย่านนิวฮาเวน (New Haven) รัฐคอนเนตทิคัต (Connecticut) ตอนเด็กๆ เขาไม่ได้รับความอบอุ่นจากแม่สักเท่าไหร่ เพราะแม่ไม่ได้อยากจะมีเขา แต่พ่อเขายืนยันที่จะให้เก็บเขาไว้ เมื่ออายุได้ 12 ปี ศ.ดร.กูดอีนาฟถูกส่งไปอยู่โรงเรียนประจำในแมสซาชูเซตส์ แม่ของเขาเคยเขียนจดหมายมาหาแค่ครั้งเดียว ในอัตชีวประวัติของเขา เขากล่าวถึงบุคคลที่มีอิทธิพลต่อตัวเขาไว้มากมายทั้งพี่น้อง สุนัขเลี้ยง คนดูแลประจำครอบครัว หรือเพื่อนบ้าน แต่แทบไม่ได้กล่าวถึงพ่อแม่เลย

นอกจากนี้แล้ว ศ.ดร.กูดอีนาฟยังเป็นโรคดิสเล็กเซีย (Dyslexia) หรือความบกพร่องในการอ่านเขียนสะกดคำ ทำให้ตอนเด็กๆ เขาอ่านเขียนไม่ได้ เรียนตามเพื่อนไม่ทัน ชอบเอาเวลาไปวิ่งเล่นในป่ามากกว่า แต่สุดท้ายก็พัฒนาตัวเองจนได้เข้าเรียนต่อสาขาคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเยล (Yale University) และเรียนจบด้วยผลการเรียนระดับเกียรตินิยม

ระหว่างและหลังจบการศึกษาจากมหาวิทยาลัยเยลเกิดสงครามโลกครั้งที่ 2 ศ.ดร.กูดอีนาฟก็ต้องรับใช้ชาติเช่นชายฉกรรจ์ เขาถูกส่งไปประจำการในหมู่เกาะแห่งหนึ่งใกล้กับโปรตุเกสดำรงตำแหน่งเป็นนักอุตุนิยมวิทยาสำหรับทหารสหรัฐ เมื่อสงครามจบลงเขาก็ได้ทุนเรียนต่อระดับปริญญาเอกด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยชิคาโก (University of Chicago) จนจบด้วยวัย 30 ปี เมื่อปี พ.ศ. 2495 และเป็นนักวิจัยที่ MIT Lincoln Laboratory เบื้องต้นงานของเขาอยู่ที่การพัฒนาระบบความจำของคอมพิวเตอร์ จนกระทั่งเกิดปัญหาวิกฤตราคาน้ำมันในยุค 70s ทำให้เขาอยากหาคำตอบให้กับปัญหาพลังงานมากกว่า แต่สถาบันเดิมไม่ให้การสนับสนุน เขาจึงย้ายค่ายไปทำงานที่มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ประเทศอังกฤษ ในตำแหน่งหัวหน้าห้องปฏิบัติการเคมีอนินทรีย์ ที่ออกซ์ฟอร์ดนี่เอง ศ.ดร.วิตติงแฮม ได้ประกาศว่าเขาและคณะจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดได้ค้นพบวิธีการเก็บประจุลิเธียมไอออนภายในแผ่นไทเทเนียมซัลไฟด์ ซึ่งลิเธียมไอออนสามารถเคลื่อนที่จากอิเล็กโทรดขั้วหนึ่งไปอีกขั้วหนึ่ง ทำให้แบตเตอรี่แบบนี้สามารถชาร์จไฟซ้ำได้

แบตเตอรี่ตามไอเดียของ ศ.ดร.วิตติงแฮมมีข้อได้เปรียบคือมันมีขนาดเล็กมากและยังให้พลังงานสูง เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรดที่ใช้ในรถยนต์ หรือแบตเตอรี่แบบนิกเกิล-แคดเมียมที่มีใช้ในตลาดขณะนั้น อย่างไรก็ดี แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้นแบบของ ศ.ดร.วิตติงแฮมมีข้อเสียสำคัญคือมันระเบิดง่ายมาก แค่ชาร์จไฟเกินก็อาจระเบิดแล้ว และมันยังเสื่อมสภาพเร็วมาก แต่ ศ.ดร.กูดอีนาฟเชื่อว่าเขาสามารถหาทางออกให้กับข้อบกพร่องดังกล่าวได้ และสามารถทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของเขาให้พลังงานที่สูงกว่าแบตเตอรี่ของ ศ.ดร.วิตติงแฮม ด้วยความที่เมื่อเขาทำงานอยู่กับ MIT เขาคุ้นเคยกับสารประกอบจำพวกเหล็กออกไซด์ซึ่งสามารถเก็บและปล่อยประจุได้ดีกว่าและยังมีความแปรปรวนน้อยกว่า และเขาก็พบว่า โคบอลต์ออกไซด์ คือคำตอบที่ดีที่สุด

งานทดลองของเขาสำเร็จในปี พ.ศ. 2523 แบตเตอรี่ของเขาเหนือกว่าแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จซ้ำได้สำหรับใช้งานในอุณหภูมิห้องแบบอื่นๆ ในตลาดหลายเท่า ด้วยขนาดที่เล็กกว่าแต่ให้พลังงานมากกว่าและมีประสิทธิภาพสูงกว่า แต่ตอนนั้นเขาและออกซ์ฟอร์ดไม่ได้คิดอะไรมากกับสิ่งที่พวกเขาค้นพบ ทางออกซ์ฟอร์ดจึงไม่ได้คิดจะจดสิทธิบัตรเอาไว้ จากนั้นในปี พ.ศ. 2529 ศ.ดร.กูดอีนาฟจึงได้กลับไปสอนหนังสือที่สหรัฐฯ โดยรับตำแหน่งศาสตราจารย์ในคณะวิศวกรรมศาสตร์ ที่มหาวิทยาลัยเท็กซัส

ศ.ดร.กูดอีนาฟยังไม่เคยหยุดการวิจัย เขาเชื่อว่าตัวเองยังพัฒนาแบตเตอรี่ให้ดีกว่าที่เป็นอยู่ขึ้นไปได้อีก โดยมีเป้าหมายสำคัญคือการแก้ปัญหาและป้องกันวิกฤตการณ์ด้านพลังงานที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

ล่าสุดเขาและทีมงานได้คิดค้นแบตเตอรี่ชนิดใหม่ขึ้น โดยใช้ตัวนำไฟฟ้าเป็นกระจกที่มีความสามารถในการนำไฟฟ้าสูงหรือLithium-Glass Electrolyte ซึ่งโดยทฤษฎีแล้วมันจะกลายเป็นแบตเตอรี่ที่ปลอดภัยกว่า และชาร์จได้เร็วกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมแบบเดิม อีกทั้งไม่จำเป็นต้องใช้โคบอลต์แร่หายากที่กำลังจะหมดไป และยังสามารถชาร์จซ้ำได้กว่า 23,000 ครั้ง ซึ่งมากกว่าเดิมหลายเท่าตัว

โยชิโนะ ผู้ปรับปรุงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจนใช้กันอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน

อากิระ โยชิโนะ (Akira Yoshino) เป็นนักเคมีชาวญี่ปุ่น เกิดเมื่อวันที่ 30 มกราคม พ.ศ. 2491 เกิดที่เมืองซุยตะ (Suita) จังหวัดโอซาก้า (Osaka) ประเทศญี่ปุ่น ศ.ดร.โยชิโนะจบการศึกษาระดับมัธยมเมื่อปี พ.ศ. 2509 จากโรงเรียนมัธยมคิตะโนะ (Kitano High School) ในเมืองโอซาก้า จบการศึกษาระดับปริญญาตรีด้านวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเกียวโต (Kyoto University) ในปี พ.ศ. 2513 และจบการศึกษาระดับปริญญาโทในปี พ.ศ. 2515 จากสถาบันเดียวกัน และจบการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านวิศวกรรมศาสตร์จากมหาวิทยาลัยโอซากะ (Osaka University) ใน พ.ศ. 2548

ขณะศึกษาที่มหาวิทยาลัยเกียวโต ศ.ดร.โยชิโนะได้มีโอกาสเข้าเรียนกับเค็งอิจิ ฟูกูอิ (Kenichi Fukui) ซึ่งเป็นชาวเอเชียคนแรกที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี

ศ.ดร.โยชิโนะ / ภาพจาก - www.kyushu-u.ac.jp

หลังจบปริญญาโทแล้ว ศ.ดร.โยชิโนะเข้าทำงานที่บริษัทอาซาฮิคาเซ (Asahi Kasei Corporation) เขาเข้าทำงานที่ห้องปฏิบัติการคาวาซากิ (Kawasaki Laboratory) ในปี พ.ศ. 2525 และได้เลื่อนชั้นขึ้นเป็นผู้จัดการฝ่ายพัฒนาผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ไอออนในปี พ.ศ. 2535 ต่อมาในปี พ.ศ. 2537 เขาได้เลื่อนชั้นเป็นผู้จัดการฝ่ายพัฒนาเทคนิคสำหรับการผลิตแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนของบริษัทเอแอนด์ทีแบตเตอรี่ (A&T Battery Corporation) ซึ่งเป็นกิจการร่วมค้าของอาซาฮิคาเซ และโตชิบา อาซาฮิคาเซได้แต่งตั้งให้เป็นนักวิจัยระดับสูงในปี พ.ศ. 2546 และอีกสองปีถัดมา ศ.ดร.โยชิโนะได้เลื่อนขึ้นเป็นผู้จัดการทั่วไปโดยมีห้องปฏิบัติการเป็นของตนเอง ในปี พ.ศ. 2560 ศ.ดร.โยชิโนะได้เป็นศาสตราจารย์ประจำมหาวิทยาลัยเมโจ (Meijo University) ในนาโกยา (Nagoya) ประเทศญี่ปุ่น และนักวิจัยกิตติมศักดิ์ในบริษัทอาซาฮิคาเซ

ศ.ดร.โยชิโนะ เริ่มพัฒนาแบตเตอรี่ที่สามารถประจุไฟใหม่ได้โดยใช้โพลิอะเซทิลีนใน พ.ศ. 2524 โพลิอะเซทิลีนเป็นโพลิเมอร์นำไฟฟ้าที่ค้นพบโดยฮิเดกิ ชิรากาวะ (Hideki Shirakawa) ซึ่งต่อมาได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีใน พ.ศ. 2543 สองปีถัดมา ศ.ดร.โยชิโนะได้ดัดแปลงแบตเตอรี่ต้นแบบโดยใช้ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO2) เป็นแคโทด (ขั้วลบ) และโพลิอะเซทิลีนเป็นแอโนด (ขั้วบวก) ซึ่งลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์นั้นค้นพบใน พ.ศ. 2522 โดยเน็ด เอ. กอดชอลล์ (Ned. A. Godshall) และคณะจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด และโดย ศ.ดร.กูดอีนาฟและโคอิจิ มิซูชิมะจากมหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด ขั้วแอโนดของแบตเตอรี่นี้ไม่มีโลหะลิเธียมอยู่ แต่ในระหว่างประจุไฟนั้นลิเธียมไอออนจะแพร่จากขั้วแคโทด LiCoO2 ไปยังขั้วแอโนด ซึ่งเป็นต้นแบบไปสู่การพัฒนาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

โพลิอะเซทิลีนมีความหนาแน่นต่ำ ทำให้ต้องใช้เนื้อที่มากและทำให้แบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ตามไปด้วย นอกจากนี้ยังมีปัญหาด้านความเสถียร ศ.ดร.โยชิโนะจึงเปลี่ยนมาใช้คาร์บอนเป็นขั้วแอโนดแทน ในปี พ.ศ. 2528 ศ.ดร.โยชิโนะจดสิทธิบัตรแบตเตอรี่ลิเธียมที่เขาประดิษฐ์ ซึ่งถือเป็นการกำเนิดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบที่ใช้ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ในลักษณะนี้จัดจำหน่ายโดยโซนี่ใน พ.ศ. 2534 และเอแอนด์ทีแบตเตอรี่ในปี พ.ศ. 2535

ศ.ดร.วิตติงแฮม ศ.ดร.กูอีนาฟ และศ.ดร.โยชิโนะ ต่างปรับปรุง พัฒนา และต่อยอดจากผลงานของกันและกัน และเปลี่ยนงานวิจัยที่เป็นการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ให้เป็นนวัตกรรมที่เปลี่ยนแปลงวิธีที่โลกจะใช้และเก็บรักษาพลังงาน

จากซ้าย : ศ.ดร.อากิระ โยชิโนะ, ศ.ดร.จอห์น บานนิสเตอร์ กูดอีนาฟ และศ.ดร.ไมเคิล สแตนลีย์ วิตติงแฮม / ภาพจาก - english.kyodonews.net

และเมื่อวันที่ 10 ธันวาคม พ.ศ. 2562 นักวิทยาศาสตร์ผู้มากความรู้และความสามารถทั้งสามท่านก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี พ.ศ. 2562 ร่วมกัน

โดย The Royal Swedish Academy of Sciences ผู้มอบรางวัลโนเบลได้ให้เครดิตกับทีมวิจัยนี้ว่า พวกเขาได้ช่วยสร้าง “โลกที่ยั่งยืนขึ้น” เพราะแบตเตอรี่นี้ทำให้รถยนต์ไฟฟ้าเกิดขึ้นได้จริง และยังใช้ในการเก็บพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียนได้ด้วย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้รับการยกย่องว่าเป็นเทคโนโลยีที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และมีโอกาสที่จะสามารถทำให้โลกเลิกใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล หรือเชื้อเพลิงซากดึกดำบรรพ์ได้

เรียบเรียงโดย ชัยปุระ ทีมงาน iEnergyGuru

อ้างอิง
https://en.wikipedia.org/wiki/John_B._Goodenough
https://en.wikipedia.org/wiki/M._Stanley_Whittingham
https://en.wikipedia.org/wiki/Akira_Yoshino
https://energyfactor.exxonmobil.asia/th/energy-innovation/rd/battery-changed-world
https://delphipages.live/th/วิทยาศาสตร์/เคมี/m-stanley-whittingham
https://www.thepeople.co/read/history/2973
https://delphipages.live/th/วิทยาศาสตร์/เคมี/john-b-goodenough
https://corporate.exxonmobil.com
https://delphipages.live/th/วิทยาศาสตร์/เคมี/yoshino-akira
www.marumura.com/japans-akira-yoshino-among-trio-of-scientists-awarded-nobel-prize-in-chemistry