แบตเตอรี่สังกะสีชนิดอัดประจุซ้ำได้ จากถ่านไฟฉายใช้แล้วและขยะทางการเกษตร

เรื่องโดย ภัทรา สัปปินันทน์

กรุงเทพมหานครมีปริมาณขยะถ่านไฟฉายธรรมดา (zinc carbon battery) และประเภทแอลคาไล (alkaline battery) ซึ่งเป็นถ่านชนิดปฐมภูมิหรือไม่สามารถอัดประจุซ้ำเพื่อใช้งานใหม่ได้มากถึง 5 ตันต่อเดือน แต่โดยทั่วไปแล้วทั้งในประเทศไทยและต่างประเทศมีการรีไซเคิลส่วนประกอบของถ่านทั้ง 2 ชนิดมาใช้ประโยชน์แค่เฉพาะส่วนห่อหุ้มแบตเตอรี่ (packaging) ที่เป็นอะลูมิเนียมและสเตนเลสเท่านั้น การวิจัยและพัฒนาองค์ความรู้ด้านการรีไซเคิลวัสดุส่วนประกอบอื่น ๆ ภายในแบตเตอรี่ เพื่อการสร้างมูลค่าเพิ่มอย่างคุ้มค่าแก่การลงทุนจึงเป็นสิ่งสำคัญและจำเป็นอย่างยิ่ง เพราะจะช่วยลดทั้งการใช้ทรัพยากรจากธรรมชาติและการทำลายสิ่งแวดล้อม

สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) ร่วมกับจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัยและกรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีกลาโหม กระทรวงกลาโหม เดินหน้าวิจัยและพัฒนากระบวนการรีไซเคิลธาตุสังกะสีและแมงกานีสซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของถ่านธรรมดาและถ่านแอลคาไล สำหรับใช้ผลิตแบตเตอรี่สังกะสีชนิดอัดประจุซ้ำได้ (zinc-ion battery) เพื่อสร้างห่วงโซ่อุปทานของการใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่าและก่อให้เกิดความมั่นคงด้านพลังงานอย่างยั่งยืน โดยในกระบวนการผลิตยังได้พัฒนากระบวนการแปรรูปชีวมวล (biomass) ของเหลือจากอุตสาหกรรมเกษตรและอาหารให้เป็นถ่านกัมมันต์ (activated carbon) ประสิทธิภาพสูง เพื่อใช้เพิ่มประสิทธิภาพการทำงานแก่แบตเตอรี่ที่ผลิตอีกด้วย ทั้งนี้การดำเนินงานได้รับการสนับสนุนงบประมาณจากหน่วยบริหารและจัดการทุนด้านการเพิ่มความสามารถในการแข่งขันของประเทศ (บพข.) ปัจจุบันการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนจากวัสดุเหลือทิ้งประสบความสำเร็จในระดับห้องทดลองแล้ว

คืนชีพขยะแบตเตอรี่ ลดใช้ทรัพยากร ลดปล่อย CO₂

ถ่านไฟฉายทั้งชนิดธรรมดาและแอลคาไลมีส่วนประกอบหลักที่สำคัญคือ สังกะสีและแมงกานีส โดยถ่านธรรมดามีสังกะสีและแมงกานีสอยู่ในสัดส่วนร้อยละ 30 และ 40 ขณะที่ถ่านแอลคาไลมีสังกะสีและแมงกานีสอยู่ในสัดส่วนร้อยละ 15 และ 55 ตามลำดับ ดังนั้นหากนำสารประกอบเหล่านี้มารีไซเคิลได้ จะช่วยให้เกิดการใช้ทรัพยากรธรรมชาติอย่างคุ้มค่าและลดการสร้างผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

ดร.ชาคริต ศรีประจวบวงษ์ นักวิจัยจากทีมวิจัยเทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงาน เอ็นเทค สวทช. (อดีตทีมวิจัยภายใต้สังกัดศูนย์เทคโนโลยีเพื่อความมั่นคงของประเทศและการประยุกต์เชิงพาณิชย์ (NSD) สวทช.) ในฐานะทีมวิจัยหลัก กล่าวว่า การนำขยะถ่านไฟฉายชนิดธรรมดาและแอลคาไลมารีไซเคิลเป็นแบตเตอรี่แบบอัดประจุซ้ำได้ ริเริ่มโดย ดร.อดิสร เตือนตรานนท์ ผู้ช่วยผู้อำนวยการ สวทช., ดร.ศิวรักษ์ ศิวโมกษธรรม (อดีตผู้อำนวยการ NSD สวทช.) และ รศ. ดร.รจนา พรประเสริฐสุข คณะวิทยาศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย โดยทีมวิจัยได้ร่วมกันพัฒนากระบวนการรีไซเคิลแบตเตอรี่ทั้ง 2 ชนิดข้างต้นเพื่อนำธาตุสังกะสีและแมงกานีสมาใช้ประโยชน์ในการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนซึ่งเป็นอุปกรณ์กักเก็บพลังงานที่มีความปลอดภัยในการใช้งานสูง และมีแนวโน้มว่าจะมีบทบาทสำคัญต่ออุตสาหกรรมพลังงานอย่างยิ่งในอนาคต

“ในการรีไซเคิลสังกะสีและแมงกานีสจากถ่านไฟฉายชนิดธรรมดาและแอลคาไลทีมวิจัยได้เลือกใช้กระบวนการละลายน้ำ (hydrometallurgy process) ที่มีต้นทุนในการผลิตต่ำในการทำละลายสารประกอบ ก่อนใช้กระบวนการตกตะกอนหรือการแยกสารด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้าแยกธาตุทั้ง 2 ออกจากสารประกอบอื่น ๆ โดยจากกระบวนการที่ทีมวิจัยพัฒนาขึ้นสามารถแยกสังกะสีและแมงกานีสออกมาใช้ประโยชน์ใหม่ได้รวมแล้วมากกว่าร้อยละ 50 และอาจสูงถึงร้อยละ 70 ในกรณีถ่านแอลคาไล”

นอกจากการพัฒนากระบวนการแยกธาตุสังกะสีและแมงกานีสจากถ่านไฟฉายมาใช้เป็นวัสดุหลักในการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนแล้ว ทีมวิจัยยังได้ร่วมกันพัฒนา ‘กระบวนการรีไซเคิลชีวมวล’ ซึ่งเป็นของเหลือจากอุตสาหกรรมเกษตรและอาหารที่มีอยู่มากในประเทศไทยมาใช้ประโยชน์ด้านการเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บประจุไฟฟ้าแก่แบตเตอรี่สังกะสีไอออนที่ผลิตอีกด้วย

ชีวมวล (biomass)

ดร.ชาคริตกล่าวว่า ชีวมวลมีจุดแข็งคือเป็นแหล่งคาร์บอนคุณภาพสูง ทีมได้นำกากกะลาปาล์ม กากไผ่ และกากกาแฟ ที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบมากกว่าร้อยละ 40 มาเข้ากระบวนการเผาภายใต้สภาวะสุญญากาศ เพื่อลดการปลดปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้ได้มากที่สุด โดยในขณะเผาจะใช้สารกระตุ้นเพื่อให้ได้คาร์บอนหรือถ่านที่มีรูพรุนขนาดนาโนปริมาณมาก หรือมีปริมาณพื้นผิวสูงเหมาะแก่การใช้เพิ่มประสิทธิภาพด้านการกักเก็บประจุไฟฟ้าในแบตเตอรี่ ซึ่งโดยทั่วไปมีการเรียกคาร์บอนที่ได้นี้ว่า “ถ่านกัมมันต์”

กระบวนการเผาภายใต้สภาวะสุญญากาศ

“หลังจากได้ส่วนประกอบทั้ง 3 จากกระบวนการรีไซเคิลแล้ว ทีมวิจัยได้นำความเชี่ยวชาญด้านการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานมาออกแบบกระบวนการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออน โดยนำสังกะสีมาใช้ในการผลิตขั้วลบ (cathode) และนำแมงกานีสมาแปรรูปเป็นแมงกานีสไดออกไซด์ (MnO₂) ก่อนผสมเข้ากับถ่านกัมมันต์เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพด้านการกักเก็บประจุไฟฟ้า ปัจจุบันทีมวิจัยผลิตผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนในระดับห้องปฏิบัติการได้แล้ว โดยแบตเตอรี่ที่ผลิตได้มีแรงดันที่ 1.2 V และมีความจุที่ 180-200 mAh/g ชาร์จซ้ำได้มากกว่า 1,000 รอบ ขณะนี้อยู่ระหว่างวิจัยขยายผลยกระดับกระบวนการผลิตสู่ระดับอุตสาหกรรม”

ถ่านกัมมันต์ (activated carbon)

แบตเตอรี่สังกะสีไอออน อุปกรณ์กักเก็บพลังงานเพื่อความมั่นคงของประเทศ

ปัจจุบันหากพูดถึงแบตเตอรี่อัดประจุซ้ำได้ คนส่วนใหญ่มักนึกถึงแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (lithium-ion battery) ที่ใช้ในอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ อย่างแพร่หลาย เช่น สมาร์ตโฟน แล็ปท็อป ยานยนต์ไฟฟ้า เพราะแบตเตอรี่ชนิดนี้ขึ้นชื่อเรื่องการอัดประจุได้มากและมีน้ำหนักเบา แต่ขณะเดียวกันยังมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อีกหลายชนิดไม่สามารถใช้งานแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนได้ เนื่องด้วยจุดอ่อนด้านความปลอดภัย เพราะหากบิดงอ ฉีกขาด หรือสัมผัสกับความร้อนสูง จะมีโอกาสติดไฟหรือระเบิด ดังที่ปรากฏให้เห็นในข่าวอยู่เป็นระยะ

ดร.ชาคริตกล่าวว่า ด้วยธรรมชาติของวัสดุที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนมีน้ำหนักที่ค่อนข้างมาก ทำให้แบตเตอรี่ชนิดนี้เหมาะแก่การใช้เป็นแหล่งกักเก็บพลังงานให้อุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้งานแบบตั้งอยู่กับที่ ต้องการความทนทานต่อสภาพแวดล้อมสูง หรือใช้ในภารกิจที่ต้องการความปลอดภัยเป็นอย่างมาก เพราะแบตเตอรี่สังกะสีไอออนทนทานต่อทั้งความร้อนและความชื้น โดยหากเกิดการฉีดขาดหรือชำรุดจะไม่ระเบิดหรือติดไฟ ตัวอย่างอุปกรณ์ที่เหมาะแก่การใช้งาน เช่น ระบบกักเก็บพลังงานไฟฟ้าจากโซลาร์เซลล์เพื่อการใช้งานภายในบ้าน (battery for home energy storage system) ระบบสำรองไฟฟ้าแบบกริด (grid energy storage) ทั้งเพื่อการใช้งานในระดับครัวเรือนและอุตสาหกรรม รวมถึงการใช้ในภารกิจที่ต้องการความปลอดภัยสูง อาทิ แบตเตอรี่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ในภารกิจทหาร การใช้เป็นแหล่งพลังงานในแท่นขุดเจาะน้ำมัน

ระบบสำรองไฟฟ้า (energy storage)

“นอกจากนี้เทคโนโลยีการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการสร้างความมั่นคงด้านพลังงานให้แก่ประเทศไทย เพราะหากเกิดเหตุวิกฤตที่ไม่สามารถนำเข้าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนหรือวัสดุสำหรับผลิตแบตเตอรี่ชนิดนี้ได้ (ไทยไม่มีแหล่งทรัพยากรธาตุลิเทียมเป็นของตัวเอง) คนไทยจะยังมีความพร้อมในการผลิตแบตเตอรี่สังกะสีไอออนเพื่อใช้ทดแทนสูง ซึ่งวัตถุดิบในการผลิตที่ใช้ได้นอกจากวัสดุรีไซเคิลที่มีอยู่เยอะแล้ว ประเทศไทยยังมีความพร้อมด้านแหล่งทรัพยากรแร่ที่ใช้ในการผลิต โดยมีพื้นที่ที่มีศักยภาพในการทำเหมืองแร่สังกะสี 260,248 เมตริกตัน และมีพื้นที่ที่มีศักยภาพในการทำเหมืองแร่แมงกานีสสูงถึง 18.2 ล้านเมตริกตัน ตามการรายงานของกองทรัพยากรแร่ กรมทรัพยากรธรณี ในปี 2565”

การวิจัยและพัฒนากระบวนการผลิต ‘แบตเตอรี่สังกะสีชนิดอัดประจุซ้ำได้จากถ่านไฟฉายใช้แล้วและขยะทางการเกษตร’ เป็นหนึ่งในการทำวิจัยเพื่อขับเคลื่อนโมเดลเศรษฐกิจ BCG ทั้งในด้านการใช้ทรัพยากรอย่างคุ้มค่าและเกิดประโยชน์สูงสุด และการพัฒนากระบวนการผลิตที่คำนึงถึงการเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งนอกจากช่วยเพิ่มขีดความสามารถทางการแข่งขันของประเทศแล้ว ยังช่วยลดข้อกีดกันทางการค้าระหว่างประเทศได้เป็นอย่างดี

ดร.ชาคริตกล่าวทิ้งท้ายว่า ทีมวิจัยคาดว่างานวิจัยจะแล้วเสร็จพร้อมถ่ายทอดเทคโนโลยีในอีก 3 ปีข้างหน้า โดยนอกจากกระทรวงกลาโหมซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ลงนามความร่วมมือในการทำวิจัยแล้ว ยังมีบริษัทเอกชนชั้นนำของไทยอีกหลายแห่งที่ติดตามการทำงานวิจัยนี้เพื่อวางแผนนำไปใช้เป็นระบบกักเก็บพลังงานเช่นกัน

สำหรับหน่วยงานภาครัฐและเอกชนที่สนใจ ติดต่อสอบถามรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนโลยีได้ที่ ดร.ชาคริต ศรีประจวบวงษ์ อีเมล chakrit.sri@entec.or.th หรือคุณอรพรรณี หยวน อีเมล orapannee.yua@nstda.or.th