ความรู้ ลึกๆ กับแบตเตอรี่ลิเธียม

ความรู้ ลึกๆ กับแบตเตอรี่ลิเธียม

ความรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่ ลิเธียม ไอออน
จุดเริ่มต้นของแบตเตอรี่ชนิดลิเธียม มาจากการวิจัยในปี 1912 แต่กว่าจะออกมาเป็นแบตเตอรี่ให้ได้ใช้กันจริงๆ ก็เป็นปี 1970 ซึ่งตอนนั้นก็เป็นชนิดใช้ครั้งเดียวทิ้ง หรือที่เรียกว่า ไพรมารีเซลล์ (Primary Cell) ลิเธียม เป็นโลหะที่เบาที่สุด ให้แรงดันไฟฟ้าสูงที่สุด และยังมีความหนาแน่นพลังงานสูงที่สุดในน้ำหนักที่เท่ากัน
การนำโลหะลิเธียมมาใช้ในแบตเตอรี่ ในระยะแรกของการวิจัย พบปัญหาในเรื่องของความปลอดภัย มันไวต่อปฏิกิริยาเคมีมากๆ (ระเบิด!) โดยเฉพาะในขณะชาร์จไฟ ต่อมา จึงได้เปลี่ยนจากการใช้ลิเธียมในรูปของโลหะ มาเป็นรูปของไอออน แทน ซึ่งมีความปลอดภัยกว่า ในปี 1991 บริษัทโซนีเป็นผู้นำแบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออนออกสู่ตลาดเป็นรายแรก
ความหนาแน่นพลังงานของเซลลิเธียมไอออน มีค่าสูงกว่าเซลชนิดนิเกิลแคดเมียม 2 เท่า เนื่องด้วยมีแรงดันที่มากกว่า และข้อดีตรงแรงดันที่สูงนี้เอง ปัจจุบันนี้ เซลในแพคแบตเตอรี่จึงใช้เพียงแค่เซลเดียวก็สามารถให้พลังงานกับโทรศัพท์มือถือได้อย่างเพียงพอ นอกจากนี้ยังไม่มีปัญหาเรื่องความจำของแบตเตอรี่ จึงไม่ต้องมีการ “ล้างแบตเตอรี่” หรือการใช้แบตเตอรี่ให้หมดเกลี้ยงประมาณเดือนละครั้ง อย่างที่ต้องทำในแบตเตอรี่ชนิดนิเกิลเมทัลไฮไดรต์ และนิเกิลแคดเมียม
แต่อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมก็มีข้อจำกัด คือ เสียหายได้ง่าย ถ้าใช้งานไม่ถูกวิธี จึงจำเป็นต้องมีวงจรป้องกันประกอบอยู่ในแพคแบตเตอรี่ เพื่อให้แบตเตอรี่ทำงานอยู่ในช่วงที่ปลอดภัย วงจรป้องกันจะจำกัดแรงดันสูงสุดของเซลขณะชาร์จ รวมทั้งป้องกันไม่ให้มีการใช้งานจนแรงดันต่ำลงจนเกินไป และป้องกันการลัดวงจร แรงดันที่ต่ำเกินไป สูงเกินไป และกระแสไหลที่สูงผิดปกติ เช่นการลัดวงจร ทำให้เซลลิเธียมสูญเสียความจุ หรือเสียหายเป็นการถาวร นอกจากนี้ ยังมีการวัดอุณหภูมิ เพื่อป้องกันไม่ให้มีการใช้งานที่อุณหภูมิสูงหรือต่ำผิดปกติ
ผู้ผลิตเซลแบตเตอรี่ มักไม่พูดถึงเรื่องอายุการใช้งานเลย แต่ตามปกติแล้วแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะสูญเสียความจุบางส่วนให้เป็นที่สังเกตได้เมื่อผ่านระยะเวลาไปประมาณ 1 ปี ไม่ว่าจะใช้งานมันหรือไม่ก็ตาม และก็จะใช้ไม่ได้หลังจากผ่านไป 2 หรือ 3 ปี
ถ้าต้องเก็บแบตเตอรี่เป็นเวลานาน การเก็บในที่เย็นจะชะลอการเสื่อมของแบตเตอรี่ทุกชนิดลงได้ ผู้ผลิตแบตเตอรี่แนะนำว่า อุณหภูมิการเก็บรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมที่ดีอยู่ที่ 15 องศาเซลเซียส และต้องมีไฟประจุอยู่ 40 % (ประมาณ 3.7-3.8 โวลต์)
ข้อดีของลิเธียมไอออน
 ความหนาแน่นพลังงานสูง
 ไม่จำเป็นต้องกระตุ้นก่อนใช้ หลังจากเก็บเป็นเวลานาน
 มีอัตราการคายประจุตัวเองต่ำ
 ไม่ต้องดูแลรักษามาก
ขีดจำกัดของลิเธียมไอออน
 จำต้องใช้วงจรป้องกันแรงดันและกระแสให้อยู่ในเขตปลอดภัย
 มีการเสื่อมอายุตามเวลาแม้ว่าจะไม่มีการใช้งาน
 อัตราการจ่ายกระแสไม่สูงมาก ไม่เหมาะกับงานที่ใช้โหลดหนักๆ
แบตเตอรี่ชนิดลิเธียมโพลีเมอร์
ลิเธียมโพลีเมอร์ ต่างจากลิเธียมไอออนธรรมดาตรงที่ชนิดของสารอิเลกโตรไลท์ ลิเธียมโพลีเมอร์ ใช้ฟิล์มคล้ายพลาสติกร่วมกับอิเลกโตรไลท์ชนิดเจล แทนที่จะใช้แผ่นเมมเบรนที่มีรูพรุน เป็นตัวส่งผ่านไอออน ลิเธียมโพลีเมอร์ง่ายต่อการผลิต มีความแข็งแรง ปลอดภัย และบาง สามารถทำให้บางได้ถึง 1 มิลลิเมตร สามารถผลิตให้เป็นรูปทรงต่างๆ ได้ตามความต้องการของการใช้งาน
ข้อดีของลิเธียมโพลีเมอร์
 สามารถทำให้บางมากๆ ได้ เช่น แบตเตอรี่ขนาดบางเท่าบัตรเครดิต
 ไม่จำกัดรูปแบบ ผู้ผลิตไม่จำต้องจำกัดอยู่แค่ขนาดเซลมาตรฐาน ขนาดที่ต้องการสามารถสั่งผลิตได้
 น้ำหนักเบา ใช้เพียงห่อแล้วซีลแบบง่ายๆ ไม่ต้องใช้ตัวถังโลหะ
 ปลอดภัย รับการชาร์จไฟเกินได้มากกว่า โอกาสของการรั่วของอิเลกโตรไลท์ลดลง
ขีดจำกัดของลิเธียมโพลีเมอร์
 ความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่า และจำนวนรอบการใช้งานที่ต่ำกว่าลิเธียมไอออนธรรมดา
 ราคาแพงกว่า
 ไม่มีขนาดมาตรฐานให้เลือก จึงจำต้องสั่งจำนวนมากๆ
 อัตราส่วนค่าใช้จ่ายต่อพลังงานที่เก็บได้ มีค่าสูงกว่าลิเธียมไอออน
วงจรป้องกันในแบตเตอรี่รุ่นใหม่ๆ
แบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์เก็บพลังงานที่ต้องการการปกป้องเพื่อหลีกเลี่ยงจากอันตรายที่จะเกิดขึ้น การป้องกันแบบง่ายสุดๆ คือ ฟิวส์ ซึ่งจะเปิดวงจรเมื่อมีกระแสไหลสูงเกินพิกัด และก็มีฟิวส์ซึ่งนอกจากจะขาดเมื่อกระแสกินแล้ว ยังสามารถขาดเมื่ออุณหภูมิสูงเกินอีกด้วย ฟิวส์ปกติจะขาดโดยถาวร ทำให้แบตเตอรี่ใช้การไม่ได้อีกต่อไป แต่ก็มีฟิวส์ชนิดพิเศษที่มีชื่อทางการค้าว่า โพลีสวิตช์ ซึ่งเป็นฟิวส์ที่ต่อกลับเองได้ หลังจากที่ตัดวงจรไปแล้ว
แบตเตอรี่ชนิดลิเธียมไอออน ต้องมีระดับการป้องกันที่สูง เพื่อแน่ใจว่าจะมีความปลอดภัยในทุกสภาวะการใช้งานและกับผู้ใช้ทุกคน โดยจะใช้ Field Effect Transistor หรือ FET เพื่อตัดวงจรออกเมื่อแรงดันไฟฟ้าในเซลสูงถึง 4.3 โวลต์ และมีฟิวส์อีกตัวที่ตัดวงจรเมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 90 องศาเซลเซียส และยังมีสวิตช์ความดันที่อยู่ในเซลเอง ซึ่งจะตัดวงจรตัวเองเมื่อความดันในตัวเซลสูงเกิน 10 บาร์ (10 เท่าของความดันอากาศ หรือ 150 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) และเพื่อป้องกันไม่ให้มีการจ่ายไฟออกจนแรงดันต่ำเกินไป วงจรควบคุมจะตัดวงจรออกเมื่อแรงดันไฟฟ้าในเซลต่ำกว่า 2.5 โวลต์ การเก็บเซลไว้เฉยๆ เป็นเวลานานโดยที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 1.5 โวลต์ จะทำให้เซลลิเธียมเสียหายถาวร และอาจจะมีอันตรายจากการระเบิดถ้าพยายามชาร์จไฟกลับเข้าไปด้วย
ถ้าหากแบตเตอรี่ไม่มีวงจรป้องกัน หรือวงจรป้องกันอิเลกทรอนิกส์เกิดเสียหาย ต่อวงจรค้างไว้ตลอดเวลา แบตเตอรี่จะยังทำงานได้ตามปกติ แต่ไม่มีการป้องกันใดๆ เลย ถ้าผู้ใช้ ใช้ชาร์จเจอร์ราคาถูกๆ ซึ่งโยนความรับผิดชอบการตัดชาร์จด้วยวงจรป้องกันในแบตเตอรี่ หรือชาร์จเจอร์มีปัญหาไม่ตัดชาร์จ การชาร์จจะเกินระดับปลอดภัย เซลจะบวมด้วยกาซที่เกิดภายใน เซลอาจจะแตกระเบิดออกพร้อมกับเปลวไฟลุกท่วม ซึ่งเหตุการณ์นี้ก็จะเกิดเหมือนกันในกรณีที่เซลถูกลัดวงจรด้วย
อันตรายจะใกล้ตัวผู้ใช้มาก ถ้าหากผู้ใช้ไปซื้อแบตเตอรี่ลิเธียมราคาถูกๆ ที่อาจจะไม่มีวงจรป้องกันภายใน และการประกอบอย่างไม่มีมาตรฐานมาใช้งาน ซึ่งเมื่อทำตก ถูกกระแทก หรือแม้แต่เมื่อระบบสั่นของโทรศัพท์มือถือทำงาน ขั้วต่อไฟฟ้าภายในอาจจะลัดวงจรกันเองโดยไม่ผ่านวงจรป้องกัน และระเบิดขึ้นเมื่อไรก็ได้
การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม มีวิธีเดียว คือ ชาร์จตามข้อแนะนำของผู้ผลิตเซล ไม่มีชาร์จเจอร์ไหนสามารถดึงเอาความจุไฟฟ้าที่เสียไปแล้วคืนมาได้เลย
เซลชนิดลิเธียมไม่จำเป็นต้องกระตุ้นก่อนใช้ เหมือนอย่างที่ต้องกระตุ้นเซลตระกูลนิเกิล (นิเกิลแคดเมียม , นิเกิลเมทัลไฮไดรต์) แบตเตอรี่ลิเธียมไม่มีข้อแตกต่างของความจุที่ได้ ไม่ว่าจะเป็นการชาร์จครั้งที่ 1 หรือครั้งที่ 5 แม้แต่ครั้งที่ 50 ก็ไม่แตกต่าง ข้อแนะนำการใช้งานที่ระบุให้ชาร์จครั้งแรกนาน 8 ชั่วโมงหรือมากกว่าควรจะถูกลบออกไปจากความทรงจำได้แล้ว นั่นมันของแบตเตอรี่ตระกูลนิเกิลสมัยโบราณโน่น...
เซลส่วนใหญ่ชาร์จเต็มที่ 4.2 โวลต์ โดยมีค่าคลาดเคลื่อน +/- 0.05 โวลต์ต่อเซล การชาร์จด้วยแรงดัน 4.1 โวลต์ จะได้ความจุต่ำกว่าปกติ 10 % แต่ได้อายุการใช้งานที่ยาวนานกว่า รูปต่อไปนี้แสดงแรงดันและกระแสของเซลลิเธียม ขณะชาร์จ

รูปที่ 1 คุณลักษณะการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน การใช้กระแสที่สูงเพื่อชาร์จไม่ได้ช่วยเร่งความเร็วให้ชาร์จเต็มเร็วขึ้นมากนัก แม้ว่าแรงดันจะขึ้นถึง 4.2 โวลต์เร็วขึ้นก็ตาม แต่ระยะเวลาส่วนใหญ่ที่ใช้อยู่ที่ช่วงที่สองมากกว่า


ระยะเวลาที่ใช้ชาร์จจะประมาณ 3 ชั่วโมง แบตเตอรี่เล็กๆ อย่างที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือ สามารถชาร์จโดยแหล่งจ่ายแรงดันคงที่ 4.2 โวลต์ จำกัดกระแส 1C* (1 เท่าของความจุเซล) ได้ ส่วนแบตเตอรี่ใหญ่ๆ อย่างในแลบทอปคอมพิวเตอร์ ควรจะชาร์จที่ 0.8 C ค่าพลังงานสูญเสียระหว่างการชาร์จอยู่ที่ 0.1 % ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมจะไม่เกิดความร้อนเลยขณะชาร์จ การดูว่าเต็มหรือยัง จะดูที่แรงดันคร่อมแบตเตอรี่สูงขึ้นจนถึงแรงดันที่จ่ายให้ คือ 4.2 โวลต์ และกระแสที่ไหลลดลงเหลือ 3 % ของกระแสที่ตั้งไว้

* ค่า xC คือ จำนวนเท่าของความจุ (Capacity*) ถ้าแบตเตอรี่มีความจุ 650 mAh กระแสชาร์จ 1C คือ กระแส 650 mA กระแสชาร์จ 0.8 C คือ กระแส 0.8 x 650 = 520 mA

* Capacity คือ ความจุของแบตเตอรี่ (คนละตัวกับความหนาแน่นพลังงาน ซึ่งคิดเป็นกำลังต่อน้ำหนัก หรือ วัตต์ต่อกิโลกรัม) ความจุคือ ความสามารถการจ่ายกระแสในเวลา 1 ชั่วโมง ถ้ามีแบตเตอรี่ 1000 mAh จะสามารถจ่ายโหลดที่ดึงกระแส 1000 mA ได้ต่อเนื่องเป็นเวลา 1 ชั่วโมง หรือ สามารถจ่ายโหลด 500 mA ได้ต่อเนื่องเป็นเวลา 2 ชั่วโมง หรือ จ่ายโหลดที่ดึงกระแส 2000 mA ได้เป็นเวลาครึ่งชั่วโมง

ถ้าชาร์จไฟเกินจะเกิดอะไรขึ้น ? แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกออกแบบให้ใช้งานได้อย่างปลอดภัยในช่วงแรงดันทำงานปกติ แต่จะเกิดความไม่มีเสถียรภาพถ้าชาร์จให้แรงดันสูงกว่านั้น เมื่อชาร์จจนแรงดันสูงถึง 4.3 โวลต์ ภายในเซลจะเกิดการก่อตัวของโลหะลิเธียมบนขั้วลบ ส่วนที่ขั้วบวกจะเกิดสารออกซิไดส์ สูญเสียความจุ และเกิดกาซออกซิเจนขึ้น การชาร์จเกินทำให้เซลร้อนขึ้น ถ้าทิ้งไว้โดยไม่ได้ดู เซลจะแตกและเกิดไฟลุก (โลหะลิเธียมไวต่อปฏิกิริยาเคมีมาก โดยเฉพาะเมื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจน)

นอกจากแรงดันชาร์จเกินแล้ว ยังต้องระวังการใช้งานจนแรงดันตกต่ำลงกว่าค่าต่ำสุดที่ยอมรับได้ วงจรป้องกันถูกออกแบบให้ตัดวงจรออกเมื่อแบตเตอรี่ถูกใช้งานจนแรงดันต่ำกว่า 2.5 โวลต์ต่อเซล เมื่อวงจรตัดไปแล้ว แบตเตอรี่ไม่สามารถใช้งานได้อีก การนำไปชาร์จโดยชาร์จเจอร์ตามปกติไม่สามารถทำได้ แต่มีวิธีแก้ไขอยู่ ซึ่งจะกล่าวต่อไป

ถ้าเซลถูกปล่อยให้แรงดันตกลงมาจนเหลือ 1.5 โวลต์ต่อเซลหรือต่ำกว่าเป็นเวลาเพียงสองสามวัน ควรหลีกเลี่ยงการชาร์จเข้าไปอีก เพราะภายในเซลจะเกิดการก่อตัวของโลหะทองแดง ซึ่งอาจทำให้เกิดลัดวงจรภายในเซล แบตเตอรี่นั้นจะไม่มีเสถียรภาพ อาจจะเกิดการลัดวงจรในก้อนเซลเมื่อไรก็ได้ ซึ่งทำให้มีความร้อนสูงขึ้นได้เองและไม่ปลอดภัยต่อการใช้งาน

การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เหมือนกับการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมโพลีเมอร์ ซึ่งปกติแล้วก็สามารถใช้ชาร์จเจอร์ร่วมกันได้


ตารางเปรียบเทียบสิ่งที่ควรทำ และไม่ควรทำของแบตเตอรี่แต่ละชนิด
แบตเตอรี่แต่ละชนิดมีความต้องการการดูแลที่ต่างกัน เพื่อที่จะให้อายุการใช้งานยาวนานที่สุด ตารางนี้จะสรุปเปรียบเทียบข้อแนะนำของแบตเตอรี่ชนิดต่างๆ ที่ถูกต้อง

การดูแลรักษาอย่างถูกวิธีโดยสมบูรณ์อาจจะไม่สามารถทำได้ในชีวิตจริง ซึ่งการขาดการดูแลหรือใช้งานผิดไปบ้างก็จะทำให้อายุการใช้งานลดลงบางส่วน โดยเฉพาะการปล่อยให้แบตเตอรี่ถูกความร้อนสูงๆ เช่น ทิ้งไว้ในรถตากแดด จะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้นมาก

ตารางที่ 2 แสดงการสูญเสียความจุถาวรของเซลลิเธียมตามฟังก์ชั่นของอุณหภูมิและระดับการชาร์จ

ไม่มีวิธีการใดที่จะดึงเอาความจุที่เสียไปแล้วของแบตลิเธียมคืนมาได้ จะมีก็แต่การลดความต้านทานภายในเป็นการชั่วคราวโดยอุ่นให้แบตเตอรี่ร้อนขึ้น แบตเตอรี่อาจใช้ได้ปกติ แต่เมื่อมันเย็นลง ความตานทานภายในก็กลับสูงขึ้นเหมือนเดิม ใช้ไม่ได้อย่างเก่า

ถ้าเป็นไปได้ ควรเก็บแบตเตอรี่ในที่เย็น โดยประจุไฟไว้ประมาณ 40 % วัดแรงดันตัวเปล่าได้ 3.75 - 3.8 โวลต์ ระหว่างการเก็บอาจจะต้องนำมาชาร์จซ้ำ เพราะวงจรป้องกันจะดึงกระแสไปใช้เล็กน้อยระหว่างการเก็บทำให้แรงดันลดต่ำลงจนอาจจะถึงจุดที่วงจรป้องกันตัดวงจรออก สิ่งที่ทำอันตรายได้มากที่สุดคือการชาร์จไฟจนเต็มที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเกิดขึ้นในการชาร์จไฟและเก็บแบตเตอรี่ไว้ในรถร้อนๆ

ข้อแนะนำ
 หลีกเลี่ยงการใช้แบตเตอรี่จนหมดก้อน เพราะจะทำให้เกิดคราบสะสมบนอิเลกโตรดในก้อนเซล การใช้งานไปเพียงบางส่วนและชาร์จบ่อยๆ ดีกว่าการใช้ให้หมดและชาร์จครั้งเดียว การชาร์จขณะไฟยังไม่หมดไม่ก่อให้เกิดความเสียหายใดๆ ไม่มีปัญหาเรื่องความจำในแบตเตอรี่ ส่วนเรื่องอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ของคอมพิวเตอร์แลบทอปที่สั้นกว่าปกติ ไม่ได้เกิดจากรูปแบบการใช้งาน หากแต่เกิดปัญหาเพราะความร้อนจากตัวเครื่องมากกว่า
 แบตเตอรี่ที่มีระบบวัดพลังงาน (แลบทอป) ควรปรับตั้งให้สเกลตรงโดยการใช้ให้หมดก้อนโดยอุปกรณ์นั้นสัก 1 ครั้ง ทุกๆ การชาร์จ 30 ครั้ง ถ้าไม่ได้ทำ สเกลแบตอาจจะไม่ตรง ในบางกรณีอาจทำให้เตือนแบตหมดก่อนเวลาที่ควรจะเป็น
 เก็บแบตเตอรี่ในที่เย็น หลีกเลี่ยงการทิ้งไว้ในรถ ถ้าจำเป็นต้องเก็บไว้นานๆ ควรชาร์จไว้ 40 % ก่อนเก็บ
 ควรถอดแบตเตอรี่ออกจากเครื่องแลบทอปถ้าใช้พลังงานจากไฟบ้าน
 อย่าซื้อแบตเตอรี่เก็บสำรองไว้ใช้ ก่อนซื้อให้ดูวันที่ผลิต อย่าซื้อของเลหลังโละสต็อก แม้ว่าจะราคาถูกก็ตาม
 ถ้าคุณมีแบตเตอรี่ลิเธียมสำรอง ให้ใช้ก้อนหนึ่งให้เต็มที่ และเก็บอีกก้อนห่อใส่ถุงเก็บไว้ในตู้เย็น ห้ามแช่แข็ง และเพื่อผลที่ดีที่สุด ให้ชาร์จไว้ 40 % (3.75 - 3.8 โวลต์)
ทำอย่างไรจึงใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมได้นานๆ
อายุการเก็บรักษาของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นสิ่งหนึ่งที่มักถูกมองข้าม มันขึ้นกับระดับไฟที่มีและอุณหภูมิการเก็บ แบตเตอรี่ลิเธียมมีอายุการเก็บประมาณ 2-3 ปี (นานกว่านี้ถ้าชาร์จไว้บางส่วนและเก็บในที่เย็น) นาฬิกานับวันเสียของมันเดินตั้งแต่ออกจากโรงงานผลิต การสูญเสียสภาพเกิดจากการเพิ่มของความต้านทานภายใน ที่เพิ่มขึ้นเองจากปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ซึ่งถ้าความต้านทานภายในเพิ่มถึงจุดหนึ่ง เซลนั้นก็จะไม่สามารถจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ของเราได้ แม้ว่าการวัดความจุจะยังวัดได้สูงอยู่ก็ตาม

ตารางนี้แสดงการสูญเสียความจุตามเวลาโดยมีตัวแปรคืออุณหภูมิ และพลังงานที่เก็บอยู่ในเซลแบตเตอรี่