แบตเตอรี่ลิเธียม
ระบบการทำงานแบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยเทคโนโลยี ?
พ.ย.
เทคโนโลยีแบตเตอรี่ลิเธียม (Lithium-ion battery technology) คือกลไกและกระบวนการทาง
วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมที่ใช้ในการสร้างและพัฒนาแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมไอออน (Lithium-ion) เป็นส่วน
ประกอบหลักในกระบวนการเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า
สาระน่ารู้
ระบบการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยเทคโนโลยีต่าง ๆ ที่ช่วยให้แบตเตอรี่สามารถเก็บและ
ปล่อยพลังงานได้ตามความต้องการของผู้ใช้ โดยทั่วไปแล้ว แบตเตอรี่ลิเธียมในปัจจุบันมักใช้เทคโนโลยี
ลิเธียมไอออน (Lithium-ion or Li-ion) ซึ่งมีคุณสมบัติดังนี้
เซลล์ลิเธียม-ไอออน
แบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยเซลล์ลิเธียมไอออนซึ่งประกอบด้วยสารประกอบที่สามารถเก็บและ
ปล่อยไฟฟ้าได้ โดยลิเธียมไอออนมีความเหมาะสำหรับการใช้งานแบตเตอรี่เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและ
มีประสิทธิภาพสูง
เซลล์ลิเธียม-ไอออน (Lithium-ion cells) มีหน้าที่เก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้าในแบตเตอรี่แบตเตอรี่
ลิเธียม โดยมีกระบวนการทำงานดังนี้
- การเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียม : ในขณะที่แบตเตอรี่กำลังใช้งานหรือกำลังชาร์จ, ไอออนลิเธียมจะ
เคลื่อนที่ระหว่างแอนอด (anode) และแคโทด (cathode) ของเซลล์ การเคลื่อนที่นี้เป็นส่วนของกระบวนการ
การเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า.
2. การปล่อยและรับไอออนลิเธียม: ในขณะที่แบตเตอรี่กำลังใช้งาน, ไอออนลิเธียมจะถูกปล่อยจากแคโทด
และเคลื่อนที่ไปยังแอนอด. ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมกำลังชาร์จ, ไอออนลิเธียมจะถูกรับโดยแอนอด
3. สาร Electrolyte: เซลล์ลิเธียม-ไอออนมีสารละลายที่เรียกว่า electrolyte ซึ่งเป็นตัวช่วยในการทำให้
ไอออนลิเธียมสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างแอนอดและแคโทด
4. การป้องกันการชนเชยของไฟฟ้า: การป้องกันการชนเชยของไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่ลิเธียมเป็น
ส่วนสำคัญเนื่องจากการชนเชยอาจทำให้เกิดปัญหาเช่น การทำลายโคมีแอนอดหรือแคโทด, ทำให้เสื่อม
สภาพแบตเตอรี่, หรือเกิดความร้อนมากเกินไป ดังนั้น, แบตเตอรี่ลิเธียมมักมีระบบควบคุมและการป้องกัน
ที่ช่วยควบคุมกระแสไฟฟ้าและควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อป้องกันการชนเชย
5.การจ่ายไฟฟ้า: เมื่อมีความต้องการในการใช้งาน, แบตเตอรี่ลิเธียมจะปล่อยไฟฟ้าที่เก็บไว้มาให้ใช้งาน
สรุป
เซลล์ลิเธียม-ไอออนได้รับความนิยมในการใช้งานในแบตเตอรี่ของอุปกรณ์พกพา, โทรศัพท์มือถือ,
รถยนต์ไฟฟ้า, รถโฟล์คลิฟท์ไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่น ๆ เนื่องจากมีน้ำหนักเบา, ขนาดเล็ก,
และมีประสิทธิภาพสูงในการเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้า
แอโนด-แคโทด
การใช้แอโนดและแคโทดเป็นส่วนประกอบสำคัญในการควบคุมและป้องกันการชนเชยของไฟฟ้าภายใน
แบตเตอรี่ เพื่อรักษาประสิทธิภาพและความปลอดภัยของระบบ
“แอโนด” (anode) และ “แคโทด” (cathode) มีความสำคัญในกระบวนการการเคลื่อนที่ของไฟฟ้าในเซลล์
แอโนด (Anode) : แอโนดคือขั้วหรือส่วนของระบบที่ให้ไอออนลิเธียมหรืออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไป
ในกระบวนการใช้งาน, แอโนดจะเป็นส่วนที่อิเล็กตรอนถูกปล่อยและเคลื่อนที่ไปยังขั้วลบหรือแคโทด
แคโทด (Cathode) : แคโทดคือขั้วหรือส่วนของระบบที่รับไอออนลิเธียมหรืออิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยมาจาก
แอโนด ในกระบวนการใช้งาน, แคโทดจะเป็นส่วนที่ไอออนลิเธียมถูกรับและเก็บไว้เพื่อให้พลังงานไฟฟ้า
เกิดขึ้น
สรุป
กระบวนการนี้เกิดขึ้นในเซลล์ไฟฟ้าทุกประเภท, ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่ลิเธียม, แบตเตอรี่นิเกิล-แคด, หรือ
เซลล์ไฮบริด ซึ่งในแต่ละกระบวนการ, การเคลื่อนที่ของไอออนลิเธียมหรืออิเล็กตรอนระหว่างแอโนดและ
แคโทดมีบทบาทสำคัญในการให้พลังงานไฟฟ้า
Elecrtrolyte
สารละลายที่อยู่ภายในเซลล์ทำให้ไอออนสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างขั้วบวกและขั้วลบได้ ซึ่งสารละลายนี้
มักเป็นสารละลายที่พลังงานสูงและมีประสิทธิภาพในการทำงาน
“Electrolyte” คือสารละลายที่ประกอบด้วยไอออน ซึ่งทำให้ไอออนสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างขั้วบวก
และขั้วลบในเซลล์ไฟฟ้าหรือแบตเตอรี่ลิเธียมได้ Electrolyte เป็นส่วนสำคัญในกระบวนการการเก็บและปล่อย
พลังงานไฟฟ้าในหลายประเภทของเซลล์ไฟฟ้า และมีบทบาทสำคัญในการช่วยเทคโนโลยีไฟฟ้าทำงาน
ได้ถูกต้อง
นอกจากนี้, Electrolyte ยังมีความสำคัญในกระบวนการทางเคมี ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปล่อยและรับไอออนหรือ
อิเล็กตรอน, ในกระบวนการ Redox (reduction-oxidation) ที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่และเซลล์ไฟฟ้าต่าง ๆ
สรุป
สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม (Lithium-ion batteries) เช่นกัน, Electrolyte ทำให้ไอออนลิเธียม (lithium
ions)สามารถเคลื่อนที่ระหว่างแอนอดและแคโทดของเซลล์ได้ Electrolyte จะประกอบด้วยสารที่สามารถ
ทำให้ไอออนลิเธียมเคลื่อนที่ได้มีความเร็วและมีประสิทธิภาพสูงในกระบวนการการเก็บและปล่อยพลังงาน
สาร Electrolyte ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมมักจะเป็นน้ำหล่อเลี้ยงที่มีประสิทธิภาพสูงในการทำให้ไอออน
ลิเธียมเคลื่อนที่ได้ดี
การควบคุม&ป้องกัน แบตเตอรี่ลิเธียม
ระบบควบคุมและป้องกันช่วยให้แบตเตอรี่ลิเธียม ทำงานอย่างปลอดภัยและมีอายุการใช้งานที่ยาวนานมาก
ขึ้นรวมถึงการควบคุมอุณหภูมิ เพื่อป้องกันการทำลายโคมีแอนอดและการต้านทานไฟฟ้าที่สูงเกินไป
ระบบควบคุมและป้องกันที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียม มีบทบาทสำคัญในการรักษาแบตเตอรี่ลิเธียม ให้ทำงาน
อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ
1.ควบคุมอุณหภูมิ: การควบคุมอุณหภูมิเป็นส่วนสำคัญในการป้องกันการทำลายโคมีแอนอด (cathode) และ
อุณหภูมิที่สูงเกินไปสามารถทำให้เกิดความเสียหายแก่แบตเตอรี่. การทำงานที่อุณหภูมิสูงเกินไปอาจทำให้
เกิดกระบวนการที่เรียกว่า “thermal runaway” ซึ่งสามารถทำให้แบตเตอรี่เสียหายหรือเกิดเหตุระเบิด
ระบบควบคุมอุณหภูมิจะตรวจสอบและควบคุมอุณหภูมิในระหว่างการใช้งาน เช่น การทำงานในสภาวะชาร์จ
และการใช้งานทั่วไป
2.การควบคุมแรงดันไฟฟ้า: ระบบควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อป้องกันการสูงไฟฟ้าเกินไปที่อาจทำให้เกิด
ความเสียหายแก่แบตเตอรี่หรืออุปกรณ์ที่เชื่อมต่อ. การสูงไฟฟ้าเกินไปอาจเกิดจากสภาวะไม่ปกติ เช่นกระแส
ไฟฟ้าที่มากเกินไปจากการชาร์จ หรือสภาวะที่ไม่ปกติในกระบวนการใช้งาน
3.ระบบการต้านทานไฟฟ้า: การต้านทานไฟฟ้าที่สูงเกินไปในแบตเตอรี่สามารถทำให้เกิดความร้อนมากขึ้น
และนำไปสู่ปัญหาทางเทคนิคและความปลอดภัย. การต้านทานไฟฟ้าที่สูงเกินไปสามารถเกิดขึ้นจาก
ตัวต้านทานสูงของวัสดุภายในแบตเตอรี่หรือจากขั้วที่มีปัญหา ระบบควบคุมที่ดีจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลง
ในค่าต้านทานไฟฟ้าและป้องกันการเกิดปัญหา
การจ่ายไฟฟ้าแบตเตอรี่ลิเธียม
การจ่ายไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ลิเธียมไปยังอุปกรณ์หรือระบบที่ต้องการพลังงานมีขั้นตอนที่เกิดขึ้นใน
กระบวนการการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม
ขั้นตอนหลักที่เกี่ยวข้อง
การสลับกระแสไฟฟ้า : เมื่อมีความต้องการในการใช้งาน, ระบบหรืออุปกรณ์ที่ต้องการไฟฟ้าจะสร้างทาง
กระทำ (circuit) ที่เปิดให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน. การเปิดทางกระทำนี้จะทำให้กระแสไฟฟ้าเริ่มไหลจาก
แบตเตอรี่ลิเธียม
การเคลื่อนที่ของไอออนหรืออิเล็กตรอน : ในแบตเตอรี่, ไอออนลิเธียมหรืออิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากแอโนด
ไปยังแคโทดผ่านทางทางกระทำที่ถูกสร้างขึ้น. นั่นหมายความว่า, ไอออนลิเธียมหรืออิเล็กตรอนจะไหล
จากด้านบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไปยังด้านลบ
การทำงานของอุปกรณ์หรือระบบ : กระแสไฟฟ้าที่ไหลมาถูกนำไปใช้ในการทำงานของอุปกรณ์หรือระบบ
ต่าง ๆ ตามที่ได้รับการออกแบบ. เช่น, ในกรณีของโทรศัพท์มือถือ, กระแสไฟฟ้าจะถูกนำไปใช้ในการเปิด
เครื่อง, การทำงานของหน้าจอ, หรือการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมภายในโทรศัพท์
การปรับกระแสและแรงดันไฟฟ้า : ระบบหรืออุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้ามักจะมีการปรับกระแสและแรงดันไฟฟ้าให้
เหมาะสมกับความต้องการของอุปกรณ์. นี้มักจะเป็นหน้าที่ของวงจรแปลงไฟ (power converter) หรือ
อุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ในการปรับแต่งพลังงานไฟฟ้า
การจ่ายไฟฟ้าจากแบตเตอรี่มักจะเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นอัตโนมัติเมื่อมีความต้องการ และการควบคุม
การไหลของไฟฟ้ามีบทบาทสำคัญในการรักษาปลอดภัยและประสิทธิภาพของระบบ
ระบบการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม
ระบบการชาร์จ (Charging System) เป็นส่วนที่สำคัญในการบริหารจัดการและรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมใน
รถโฟล์คลิฟท์ไฟฟ้า หรืออุปกรณ์อื่น ๆ ที่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียม ระบบการชาร์จมักประกอบด้วยหลายส่วน
ประกอบที่ทำหน้าที่ในกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม นี่คือส่วนประกอบหลักของระบบการชาร์จ
ระบบการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม
- หน่วยชาร์จ (Charger Unit) : หน่วยชาร์จเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในกระบวนการส่งกระแสไฟฟ้าไปยังแบตเตอรี่
ลิเธียม เพื่อชาร์จหรือเติมพลังงาน. มีหลายรูปแบบของหน่วยชาร์จ, รวมถึงชาร์จที่ติดตั้งในรถยนต์,
ชาร์จพกพาสำหรับอุปกรณ์พกพา, และชาร์จที่ใช้ในแบตเตอรี่ขนาดใหญ่
- ตัวควบคุม (Control Unit) : ตัวควบคุมระบบชาร์จมีหน้าที่ควบคุมกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่เข้าไป
ในแบตเตอรี่ลิเธียม ตัวควบคุมทำให้กระบวนการชาร์จเป็นไปอย่างปลอดภัยและประสิทธิภาพ
- ตัวต้านทาน (Resistor): ตัวต้านทานสามารถถูกใช้ในกระบวนการชาร์จเพื่อควบคุมการไหลของกระแส
ไฟฟ้า และป้องกันการเกิดกระแสไฟฟ้าที่มากเกินไป
- ตัวกรอง (Filter): ตัวกรองทำหน้าที่ลดรบบการกระทำของสัญญาณไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ, ทำให้ได้กระแส
ไฟฟ้าที่มีคุณภาพดี
- ตัวตรวจสอบ (Sensor): ตัวตรวจสอบสามารถตรวจจับแรงดัน, กระแส, หรืออุณหภูมิ เพื่อให้ตัวควบคุมทราบ
ถึงสภาพปัจจุบันของแบตเตอรี่ลิเธียมและระบบชาร์จ
- ระบบป้องกัน (Protection System): ระบบนี้มักมีความสำคัญในการป้องกันการเกิดความเสียหายจาก
กระแสไฟฟ้าที่มากเกินไปหรือสภาวะที่ไม่ปกติ
ระบบการชาร์จมักถูกออกแบบให้สามารถทำงานได้กับแบตเตอรี่ลิเธียม ที่มีประสิทธิภาพสูง, ส่งผลให้
แบตเตอรี่ลิเธียม มีอายุการใช้งานที่ยาวนานและให้ประสิทธิภาพการใช้งานสูงสุด
สรุป
การพัฒนาเทคโนโลยีแบตเตอรี่กำลังต้องการความวิจัยและพัฒนา เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพพลังงานที่เก็บไว้
และยาวนานขึ้น และลดต้นทุนการผลิตเพื่อทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมเป็นทางเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับ
การใช้งานในหลายๆ ด้าน เช่น ในรถยนต์ไฟฟ้า รถโฟล์คลิฟท์ไฟฟ้า โทรศัพท์มือถือ และอุปกรณ์
อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
