ที่ใดมีเทคโนโลยี ที่นั่นย่อมมีแบตเตอรี่ ถ้าจะกล่าวแบบนี้ก็ไม่เกินจริงแต่อย่างใด แบตเตอรี่วนเวียนอยู่รอบตัวเรา อยู่ในข้าวของเครื่องใช้ต่าง ๆ ในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่ของเล่น รีโมต นาฬิกา โทรศัพท์มือถือ โน้ตบุ๊ก ไปยันยานพาหนะ เมื่อแบตเตอรี่สำคัญเสียขนาดนี้ เราไปทำความรู้จักกับที่มาที่ไปของเจ้าแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าที่อยู่เบื้องหลังความสะดวกสบายในชีวิตเรากันสักหน่อยดีกว่า

แบตเตอรี่เก่าแก่ที่สุดในโลกเรียกว่า แบตเตอรี่แห่งแบกแดด (Baghdad’s Batteries) มีอายุกว่า 2,000 ปี (ประมาณช่วงอารยธรรมเมโสโปเตเมียเมื่อ 250 ปีก่อนคริสต์ศักราช) ไม่รู้ว่าใครเป็นผู้ประดิษฐ์ ไม่รู้ว่าประดิษฐ์ขึ้นมาทำไม แต่ขุดพบโดย วิลเฮ็ล์ม เคอนิช (Wilhelm Konig) นักโบราณคดีชาวเยอรมันและคณะ ในขณะที่ลงพื้นที่ทำงานแถวเมืองคุญุตเราะบูฮ์ (Khujut Rabu) กรุงแบกแดด ประเทศอิรัก เมื่อปี ค.ศ. 1938 แบตเตอรี่นี้มีรูปร่างหน้าตาชวนพิศวง เหมือนไหดินเผาที่ข้างในมีกระบอกทองแดงหุ้มแท่งเหล็ก ซีลปากไหด้วยยางมะตอย ส่วนเรื่องการใช้งานก็ชวนฉงนไปอีก เป็นที่ถกเถียงกันในวงกว้างว่าสร้างมาทำไม ใช้งานอย่างไร ใช้ทำอะไรกันแน่ บ้างก็ว่าในไหน่าจะไว้ใส่ของเหลว เช่น ไวน์ น้ำส้มสายชู น้ำเกลือ และน่าจะใช้ประโยชน์ในการชุบโลหะด้วยไฟฟ้ามากกว่าจะใช้สร้างกระแสไฟฟ้า บ้างก็ว่าน่าทำไว้ใช้ประโยชน์ทางการแพทย์อะไรสักอย่างรึเปล่า

แม้จะมีการประดิษฐ์คิดค้นแบตเตอรี่มาแต่โบร่ำโบราณ แต่คำว่า “แบตเตอรี่” ที่หมายถึง แบตเตอรี่ที่เรากำลังพูดถึงนี้ยังไม่ปรากฏ จนกระทั่งปี ค.ศ. 1749 เบนจามิน แฟรงคลิน (Benjamin Franklin) ทดลองเอาตัวเก็บประจุที่เรียกว่า ขวดแก้วไลเดิน (Leyden jar) หลายชิ้นมาเชื่อมต่อกันเพื่อผลิตและเก็บประจุไฟฟ้า และเรียกชุดเก็บประจุไฟฟ้าของเขาว่า แบตเตอรี่ ซึ่งเป็นคำที่ทางการทหารใช้เรียกกองกำลังปืนใหญ่

ส่วนแบตเตอรี่ที่เริ่มใกล้เคียงกับแบตเตอรี่ที่เราใช้อยู่ในปัจจุบันนั้นกำเนิดขึ้นในช่วงคริสต์ศักราชที่ 1800 เมื่อ อาเลสซานโดร วอลตา (Alessandro Volta) นักฟิสิกส์และนักเคมีชาวอิตาเลียน ได้นำแรงบันดาลใจจากการทดลองไฟฟ้ากระตุกขากบของ ลุยจี กัลวานี (Luigi Galvani) มาต่อยอด วอลตาคิดว่า กระแสไฟฟ้าน่าจะเกิดได้จากการเชื่อมโลหะสองอย่างร่วมกับตัวนำที่มีความชื้น เขาจึงลงมือประดิษฐ์แบตเตอรี่ที่มีลักษณะเป็นแท่งทรงกระบอก ประกอบด้วยเซลล์ไฟฟ้าเคมีที่ทำจากแผ่นทองแดง ผ้าชุ่มน้ำเกลือ และสังกะสี วางซ้อนกันหลาย ๆ ชั้น เชื่อมต่อด้านหัวกับปลายแท่งแบตเตอรี่ด้วยเส้นลวด เซลล์ไฟฟ้าเคมีของวอลตาหนึ่งเซลล์ผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 0.76 โวลต์ ดังนั้นถ้าต้องการไฟฟ้าเท่าไรก็เพิ่มจำนวนเซลล์เข้าไป

อีกช่วงเวลาสำคัญที่ต้องบันทึกไว้ในวงการแบตเตอรี่คือในปี ค.ศ. 1859 ที่แบตเตอรี่ตะกั่วกรด (lead-acid battery) บรรพบุรุษของแบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟได้ ถือกำเนิดขึ้น กัสตง ปล็องเต (Gaston Planté) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสคิดค้นแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ฉีกวงการแบตเตอรี่ยุคนั้น คือ ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นตอนแบตเตอรี่จ่ายกระแสไฟฟ้า สามารถเกิดย้อนกลับได้เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้แบตเตอรี่ ทำให้ใช้งานซ้ำและได้ยาวนานขึ้น โมเดลของปล็องเตเป็นต้นแบบในการพัฒนาแบตเตอรี่ในยุคต่อ ๆ มา จนถึงทุกวันนี้

ปี ค.ศ. 1866 ฌอร์ฌ เลอกล็องเช (Georges Leclanché) พัฒนาแบตเตอรี่เลอกล็องเช ซึ่งเป็นต้นแบบของแบตเตอรี่แบบแห้ง (dry cell) ที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบัน โดยใช้สังกะสีเป็นขั้วลบ แมงกานีสไดออกไซด์เป็นขั้วบวก มีแอมโมเนียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ แต่แน่นอนว่าเวอร์ชันแรกย่อมมีจุดอ่อน โดยเฉพาะเรื่องการใช้งาน สารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์มักหกออกมา แม้เลอกล็องเชจะเปลี่ยนสูตรพยายามทำให้สารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์มีลักษณะข้นขึ้นแล้วก็ตาม แต่ก็ยังใช้งานไม่สะดวกอยู่ดี

อีก 20 ปีต่อมา คาร์ล กัสเนอร์ (Carl Gassner) นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันหาทางปิดจุดอ่อนของแบตเตอรี่เลอกล็องเชเรื่องสารละลายหกได้สำเร็จ แบตเตอรี่แบบแห้งของกัสเนอร์ใช้สังกะสีเป็นปลอกของแบตเตอรี่ ซึ่งทำหน้าที่เป็นขั้วลบไปด้วยในตัว ส่วนด้านในเป็นแท่งคาร์บอนขั้วบวก และสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ที่ยังใช้เป็นแอมโมเนียมคลอไรด์แต่ทำให้มีลักษณะเหนียวหนืด แล้วผสมซิงก์คลอไรด์เข้าไปอีกนิดหน่อยเพื่อยืดอายุการเก็บรักษาให้นานขึ้น แบตเตอรี่สังกะสี-คาร์บอน (zinc-carbon battery) นี้ให้กำลังไฟ 1.5 โวลต์ ใช้งานสะดวกยิ่งขึ้น ถือเป็นจุดเริ่มต้นของการพัฒนาแบตเตอรี่แบบก้อน (ถ่านไฟฉาย) ในยุคต่อ ๆ มา กัสเนอร์จดสิทธิบัตรในปี ค.ศ. 1887

การพัฒนาแบตเตอรี่ยังดำเนินต่อไป ปี ค.ศ. 1899 วาลเดอร์มาร์ ยุงเนอร์ (Waldermar Jungner) นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน พัฒนาแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd) ที่ชาร์จไฟใหม่ได้และมีความหนาแน่นพลังงาน (energy density) สูงกว่าแบตเตอรี่ตะกั่วกรดสำเร็จ นอกจากนิกเกิลและแคดเมียมที่เป็นขั้วแบตเตอรี่แล้ว ยุงเนอร์เลือกใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ที่มีฤทธิ์เป็นด่าง (alkaline) มาเป็นอิเล็กโทรไลต์ จัดว่าเป็นแบตเตอรี่แอลคาไลตัวแรกที่เกิดขึ้น รวมทั้งเป็นจุดเริ่มต้นของตระกูลแบตเตอรี่สะสมไฟฟ้า (storage battery)

ในช่วงปี ค.ศ. 1900 เป็นช่วงที่รถพลังงานไฟฟ้ากำลังมีอนาคตสดใส ทอมัส แอลวา เอดิสัน (Thomas Alva Edison) นักประดิษฐ์ควบนักธุรกิจคนดังชาวอเมริกัน มองเห็นลู่ทางและเริ่มพัฒนาแบตเตอรี่ที่ตอบโจทย์การใช้งานของรถไฟฟ้าแทนการใช้แบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่มีน้ำหนักมากและอาจกัดกร่อนชิ้นส่วนของรถด้วย เขาจึงเลือกพัฒนาแบตเตอรี่แอลคาไล โดยใช้เหล็กเป็นขั้วลบและนิกเกิลออกไซด์เป็นขั้วบวก ใช้โพแทสเซียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโทรไลต์ เอดิสันพัฒนาอยู่หลายปีจนประสบความสำเร็จ แต่ทว่า เฮนรี ฟอร์ด (Henry Ford) ดันเปิดตัว Ford Model T รถยนต์ใช้น้ำมันในราคาที่อเมริกันชนเอื้อมถึงได้ ทำให้กระแสการใช้รถยนต์ไฟฟ้าเงียบหายไป แม้จะไม่ประสบความสำเร็จตามที่ตั้งใจไว้ แต่แบตเตอรี่ของเอดิสันก็ยังตอบโจทย์การใช้งานอื่น ๆ เช่น เป็นระบบสำรองไฟเสาสัญญาณรถไฟ ระบบไฟส่องสว่างในเหมือง ซึ่งก็ทำกำไรให้เขาได้เช่นกัน

หกสิบกว่าปีนับจากปีที่คาร์ล กัสเนอร์ พัฒนาแบตเตอรี่สังกะสี-คาร์บอนสำเร็จ แบตเตอรี่ชนิดนี้ก็ได้รับความนิยมอย่างมากและเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้กันอย่างกว้างขวาง แต่มันก็มีจุดอ่อนตรงที่คายประจุง่ายจึงเก็บไว้ได้ไม่นาน จนในปี ค.ศ. 1955 ลูอิส เออร์รี (Lewis Urry) วิศวกรชาวแคนาดา ซึ่งขณะนั้นทำงานในบริษัทผลิตแบตเตอรี่ Eveready (ปัจจุบันคือ Energizer Holdings, Inc.) หาทางยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่สังกะสี-คาร์บอนได้สำเร็จ โดยเปลี่ยนตัวอิเล็กโทรไลต์จากกรดเป็นด่าง และใช้ผงสังกะสีแทนแผ่นสังกะสีแบบเดิม แน่นอนว่านอกจากจะใช้งานได้นานขึ้นแล้ว ยังให้พลังไฟที่มากขึ้นอีกด้วย เป็นการเปิดตัวแบตเตอรี่แอลคาไลแบบแห้งสู่ตลาดโลกอย่างสวยงาม

ประมาณช่วงคริสต์ทศวรรษ 1970 ที่โลกกำลังเกิดวิกฤตน้ำมัน นักวิจัยทั่วโลกเริ่มวิจัยเพื่อสร้างทางเลือกใหม่ในการใช้พลังงาน รวมถึงไมเคิล สแตนลีย์ วิตทิงแฮม (Michael Stanley Whittingham) นักเคมีของบริษัท Exxon ยักษ์ใหญ่ด้านพลังงานสัญชาติอเมริกันด้วย ระหว่างที่กำลังทำวิจัยอยู่นั้นเขาพบว่าไอออนของลิเทียมสามารถลอดผ่านช่องว่างของไทเทเนียมไดซัลไฟด์ได้ จึงได้ต่อยอดเอาสิ่งที่ค้นพบนี้มาพัฒนาเป็นแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (lithium-ion battery) โดยมีไทเทเนียมไดซัลไฟด์เป็นขั้วบวกและลิเทียมเป็นขั้วลบ แบตเตอรี่นี้มีน้ำหนักเบามาก เก็บประจุไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม แต่มีอาการลัดวงจรบ่อย ๆ ต่อมา จอห์น บี. กุดินัฟ (John B. Goodenough) ได้เข้ามาช่วยปรับปรุงโดยใช้โคบอลต์ออกไซด์แทนไทเทเนียมไดซัลไฟด์ และอากิระ โยชิโนะ (Akira Yoshino) ใช้ปิโตรเลียมโค้ก (petroleum coke) แทนลิเทียม จนได้ออกมาเป็นต้นแบบแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่สมบูรณ์ ต่อมาบริษัท Sony ได้ผลิตจำหน่ายในปี ค.ศ. 1991 แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนจึงกลายเป็นหนึ่งในนวัตกรรมที่มีอิทธิพลต่อการใช้ชีวิตของพวกเรามาจนถึงทุกวันนี้ และทำให้ทั้งสามคนได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมี ในปี ค.ศ. 2019 ร่วมกัน

การวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่ยังคงดำเนินต่อไป ไม่ได้หยุดอยู่แค่แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน โดยเทรนด์ของการพัฒนาแบตเตอรี่ยังคงคล้ายกับแนวทางเดิมตั้งแต่อดีตคือ ต้องการแบตเตอรี่ที่ให้พลังงานไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้าสูงขึ้น ใช้งานได้นานขึ้น ปลอดภัยมากขึ้น น้ำหนักเบาลง ราคาต่ำลง และที่เพิ่มเติมเข้ามาคือจะต้องเป็นนวัตกรรมที่ส่งผลกระทบต่อโลกน้อยที่สุดจนถึงไม่มีเลย ซึ่งเป็นโจทย์ที่ท้าทายและน่าจับตาดูเป็นอย่างยิ่ง

ขอขอบคุณ ดร.พิมพา ลิ้มทองกุล ที่ช่วยตรวจสอบความถูกต้องทางวิชาการ

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

• https://www.mtec.or.th/post-knowledges/47282/
• https://sciencewithkids.com/science-facts/facts-about-batteries.html#:~:text=The%20battery%20was%20invented%20before,%2C%20Li%2Dion%20and%20LiPo.
• https://phys.org/news/2015-04-history-batteries.html#:~:text=The%20first%20true%20battery%20was,physicist%20Alessandro%20Volta%20in%201800.
• https://blog.upsbatterycenter.com/history-batteries-timeline/
• https://www.acs.org/education/whatischemistry/landmarks/drycellbattery.html

เรียบเรียงโดย รักฉัตร เวทีวุฒาจารย์ ฝ่ายสร้างสรรค์สื่อและผลิตภัณฑ์

อินโฟกราฟิกโดย ฉัตรกมล พลสงคราม ฝ่ายผลิตสื่อสมัยใหม่