ข้อเท็จจริงของ Battery Lithium Ion (Li-ion)

ในปัจจุบันมีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกซ์หลายชนิดที่ต้องใช้ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ และบวกกับเทคโนโลบีใหม่ทำให้เกิดแบตเตอรี่ชนิดลิเธียม ไอออนขึ้นมา ซึ่งหลายคนยังเข้าใจผิดเรื่องแบตเตอรี่ชนิดนี้อยู่ เนื่องจากคุณสมบัติของมันนั้นต่างกับแบตรุ่นเก่าโดยสิ้นเชิง ถ้าเป็นสมัยก่อนผู้ใหญ่จะสอนเราว่า "หากซื้ออุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้แบตมา ต้องชาร์จอย่างน้อย 6-8 ชั่วโมงก่อนนะ" ซึ่งเจ้าแบตตัวนี้มันไม่ใช่อย่างนั้นเลย โดยหลักการทำงานรวมไปถึงข้อดีข้อเสียต่างจะทำให้รู้ว่ามันทำงานยังไง และจะทำยังไงให้มันใช้ได้นานๆ เพราะ Smartphone ของเราที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันก็ใช้แบตเตอรี่รุ่นนี้เช่นกัน

โครงสร้างการทำงานของ Battery Lithium Ion (Li-ion)

lithium ion เป็น แบตเตอรี่ ชนิดประจุไฟใหม่ได้ โดยหลักการทำงาน จะปล่อย lithium ion จาก
ขั้วลบ (anode) ไปยัง ขั้วบวก (cathode) เมื่อคลายประจุ(discharge) และกลับกัน เมื่อประจุ (charge)
lithium ion จะเคลื่อนที่จากขั้วบวก ไปยังขั้วลบ

ส่วนประกอบพื้นฐานหลัก 3 ส่วน คล้ายกับแบตเตอรี่ทั่วไป คือ วัสดุที่ทำ ขั้วบวก ขั้วลบ และ สารสื่อกลางนำไฟฟ้า (cathode, anode & electrolyte)

- วัสดุที่นิยมใช้ในการทำขั้วลบคือ แท่งถ่าน graphite (หรืออาจเป็นสารอื่นๆอีก เช่น silicon, germanium)
- วัสดุที่ทำชั้วบวกจะเป็น แผ่นชั้นเคลือบ (layer) ของสารประกอบ lithium ที่นิยมใช้จะมีอยู่ 3 แบบ ได้แก่
* oxide เช่น lithium cobalt oxide
* polyanion เช่น lithium Iron phosphate 
* spinel เข่น lithium manganese oxide
- eletrolyte : เป็นของเหลวที่อยู่ในรูปเกลือ lithium & ตัวทำละลายอินทรีย์ (organic solvent) เพื่อเป็นตัว
กลางในการเคลื่อนที่ของ lithium ion (Li+) ไปมาระหว่างขั้วบวก และขั้วลบ

การเลือกใช้วัสดุที่ทำขั้วลบ และขั้วบวก จะมีผลต่อการให้ความต่างศักย์ทางไฟฟ้า & ประสิทธิภาพของ cell battery และมีผลต่อต้นทุน และราคาที่แตกต่างกัน

ข้อดีของแบต lithium

- น้ำหนักเบา ต่อการให้พลังงานในหน่วยที่เท่ากันเมื่อเทียบกับแบตชนิดอื่นๆ
- ไม่มี memory effect 
- มีการคลายประจุตามธรรมชาติเมื่อไม่ได้ใช้ (self discharging) ในอัตราที่ต่ำกว่า เมื่อเทียบกับแบตชนิดอื่นๆ 
  เช่น Ni-Cd, NI-MH (0.1% เทียบกับ 10% และ 30% ต่อเดือนตามลำดับ)

ข้อด้อยของแบต lithium

- อายุการใช้ค่อนข้างสั้น : มักจะนับเป็นรอบของการ charge (cycle life) โดยธรรมดาจะอยู่ที่ประมาณ 300-500 รอบ

- ความต้านทานภายใน cell (internal resistance) : จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามรอบการ charge & ตามอายุของ batt เอง
ทำให้ประสิทธิภาพในการจ่ายไฟลดต่ำลงเรื่อยๆ

- ต้องมีอุปกรณ์เรื่องความปลอดภัย (safety requirement) : โครงสร้างการออกแบบ ทำให้แบต lithium ไม่ทนทานเท่า Ni-Cd หรือ Ni-MH
ที่สำคัญที่ต้องระวัง คือ ความเสี่ยงต่อการระเบิด มัก เกิดจาก 2 กรณี คือ หาก charge ด้วย voltage ที่สูงเกินไป และเมื่อเกิดความร้อนสะสมสูงเกินไป ทำให้แบต lithium ต้องมีระบบป้องกัน ได้แก่

* วงจรควบคุมการตัดไฟการ charge ทั้งแบบที่ป้องกันการ charge เกิน (ที่เกินกว่า 4.2 V) และเพื่อป้องกัน cell แบตหากมีการคลายประจุต่ำเกินกว่าขีดจำกัด (ต่ำกว่า 3 V) ซึ่งหากถึงจุดนี้ เครื่อง charge ธรรมดาจะ charge ไม่เข้า
* shut down separator (เพื่อป้องกันความร้อนที่สูงเกินไป)
* tear away tab (เพื่อป้องกันความดันภายในไม่ให้สูงเกินไป)
* vent ( ช่องฉุกเฉินเพื่อระบายแรงดัน)
* thermal interupt (ตัดการชาร์จทันทีหากอุณหภูมิสูง ที่เกิดจาก การชาร์จด้วยกระแสเกิน, overcurrent/overcharging)

การชาร์จแบต lithium

- เซลล์ batt ส่วนใหญ่จะถูก charge ที่ความต่างศักย์ 4.2 V +/- 0.05 (วงจรควบคุมการชาร์จ จะตัดที่ 4.3 V หรือหากอุณหภูมิขึ้นถึง 90 °C)
- กระบวนการชาร์จ จะแบ่งเป็น 3 ระยะ 
ระยะที่ 1: การชาร์จด้วยกระแสเต็มที่ (current limit) จนเซลล์แบตได้ความต่างศักย์ที่กำหนดไว้ (เกือบเต็ม) ระยะนี้เหมือนเป็นการชาร์จในอัตราเร่ง

ระยะที่ 2: การชาร์จต่อให้ cell batt แต่ละเซลล์ ถึงระดับความต่างศักย์สูงสุด (maximum voltage limit) คล้ายๆกับการค่อยๆเติมประจุ ในระยะนี้กระแสของเครื่องชาร์จที่เข้า cell จะลดลง (ตามรูป เส้นประ) และจะตัดการชาร์จเมื่อกระแสต่ำกว่า 3% ของอัตรากระแสเฉลี่ย

ระยะที่ 3 : การชาร์จแบบเติมเต็มเป็นครั้งๆ (occasional topping charge) เป็นการเติมประจุเป็นครั้งคราว ประมาณ 1 ครั้งทุก 500 ชม.



ข้อเท็จจริงเกี่ยวกับการชาร์จ

- โดยทั่วไปการชาร์จแบต lithium จะเต็มภายใน 3 ชม

- ไม่ควรปล่อยให้เกิดภาวะ deep discharge (การใช้จนแบตหมดเกลี้ยง) เพราะจะทำให้ batt เกิดความเครียด (battery strain)
แบต lithium ไม่มี memory effect เหมือน Ni-Cd หรือ Ni-MH การชาร์จเติมประจุเรื่อยๆ (partially charge) จะส่งผลดีกว่า
ซึ่งผู้ใช้ส่วนใหญ่อาจยังเข้าใจผิด

- แบต lithium ไม่จำเป็นต้องมีการกระตุ้นเซลล์ ในการใช้ครั้งแรก (initial activation) เหมือน Ni-Cd หรือ Ni-MH ที่แนะนำให้
ชาร์จครี้งแรกที่ 17-18 ชม. เพราะการทำงานของ batt lithium ไม่ถูกออกแบบมาให้รับการประจุแบบ trickle charge 
.
- การชาร์จที่กระแสสูง ไม่ได้ทำให้ระยะเวลาการชาร์จโดยรวมลดลงมากนัก เพราะจะเป็นการเร่งระยะของ การชาร์จระยะที่ 1 ให้ถึง voltage limit เร็วขึ้น แต่
ก็ต้องรอเวลาสำหรับ topping charge ในปลายระยะ 1 และ ระยะ 2

- การชาร์จด้วยความต่างศักย์ต่ำกว่าจะช่วยยืดอายุแบต ตามรูป ยิ่งชาร์จด้วย voltage สูง ถึงแม้ว่าจะได้ความจุเพิ่มขึ้น แต่ต้องแลกมากับอายุการใช้ (cycle life) ที่ลดลง



ในทางปฎิบัติ จึงเห็นว่า battery ที่ใช้ในกิจการทางทหาร (military grade) จะกำหนดการ charge ที่ voltage ต่ำกว่า เช่น ที่ 3.92V เพื่อยืดอายุการใช้งาน

- การเพิ่มกระแสของการชาร์จ และการดึงกระแสออกมาใช้ (discharge current) หากเพิ่มขึ้นจะทำให้แบตเสื่อมเร็วขึ้น 
จากในรูป การชาร์จ & discharge ที่ 1C จะทำให้แบตทนกว่า 2C & 3C ตามลำดับ

หมายเหตุ : C = current = ปริมาณกระแสที่แบตปล่อยประจุออกมาจนหมดเกลี้ยง เมื่อมี load ภายใน 1 ชั่วโมง เช่นหากต่อ load ที่กินกระแส 800 mA แล้ว batt ที่ charge เต็ม หมดภายใน 1 ชม พอดี ---> C ก็เท่ากับ 800 mA , 2C = 1600 mA & 3C= 2400 mA



*** ความรู้ตรงนี้บอกเราเป็นนัยว่า การประจุไฟที่กระแสต่ำกว่า จะได้อายุการใช้ของแบตที่นานขึ้น , cycle life ยาวขึ้น 

- การเก็บแบตที่ไม่ได้ใช้ ควรชาร์จที่ 40% ความจุ และเก็บในที่เย็น อาจจำเป็นต้องนำมาชาร์จเป็นครั้งคราวเพื่อให้ชดเชยไฟที่ถูกใช้ไปจากวงจรควบคุม ความปลอดภัยของ batt

- จุดที่สำคัญที่ควรระวัง โดยเฉพาะการใช้งานจริงในประเทศเรา คือ ไม่ควรเก็บแบตที่ชาร์จเต็ม (fully charged) ไว้ในที่อุณหภูมิสูง (เช่นในรถที่ร้อนๆ) เนื่องจาก ณ จุดที่ charge เต็ม หากมีการใช้งานตามปกติ อุณหภูมิขณะทำงาน (operated temperature) จะเท่ากับ 45°C อยู่แล้ว ซึ่งการเก็บไว้ในรถที่ตากแดดร้อน จะยิ่งทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นมาก


Ref : http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-io ... ersity_com partone-12-38
http://www.batteryuniversity.com/partone-12.htm
http://www.batteryuniversity.com/parttwo-34.htm
Credit : http://www.smart-mobile.com/forum/viewtopic.php?f=139&t=173292