แบตเตอรี่ battery ทำหน้าที่อะไรในรถยนต์ไฟฟ้า

เมื่อ :

วันอังคาร, 26 ตุลาคม 2564

            ในอนาคตที่โลกต้องเผชิญปัญหาการขาดแคลนพลังงานเพิ่มขึ้น และปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เป็นผลมาจากกิจกรรมของมนุษย์ทำให้ปริมาณแก๊สเรือนกระจกในขั้นบรรยากาศโลกเพิ่มสูงขึ้น แบตเตอรี่จะเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการจัดเก็บและการสำรองแหล่งพลังงานสะอาดที่ไม่เสถียรเช่นพลังงานแสงอาทิตย์ หรือ พลังงานลม เพื่อนำพลังงานเหล่านี้มาใช้ในเวลาที่ไม่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานเหล่านี้ได้ เช่น ในเวลากลางคืนที่ไม่มีแสงแดด หรือในเวลาที่มีลมพัดไม่แรงเพียงพอในอนาคต เมื่อยานพาหนะต่าง ๆ ไต้เปลี่ยนมาใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับเคลื่อน แบตเตอรี่จะเป็นแหล่งจ่ายพลังงานสำคัญในภาคการคมนาคมขนส่งนอกจากนี้ เมื่อโลกเข้าสู่ยุคที่สิ่งต่าง ๆ รอบตัวสามารถเชื่อมต่อและแลกเปลี่ยนข้อมูลกันได้ หรือที่เรียกว่ายุคของ "อินเทอร์เน็ตในทุกสรรพสิ่ง" หรือ Internet of Things จำนวนแบตเตอรี่ที่ต้องใช้ในการให้พลังงานหล่อเลี้ยงเครื่องใช้ต่าง ๆ เหล่านี้จะเพิ่มจำนวนขึ้นอีกมาก ดังนั้นการเรียนรู้เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของแบตเตอรี่ รวมทั้งแนวทางการใช้แบตเตอรี่อย่างถูกต้อง ปลอดภัยและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมจึงเป็นเรื่องสำคัญในการดำรงชีวิตในอนาคต

            จากบทความ "แบตเตอรี่ อุปกรณ์ให้พลังงานแห่งอนาคต ตอนที่ 1"ในนิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 201  ที่ได้กล่าวถึง นิยามและประวัติของการค้นพบและการพัฒนาแบตเตอรี่แล้วในตอนที่ 2 นี้จะกล่าวถึงชนิดของแบตเตอรี่ และ ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ขนิดต่าง ๆ ที่ทุกคนคุ้นเคย

ชนิดของแบตเตอรี่

            เมื่อพิจารณาตามลักษณะของอิเล็กโทรไลต์สามารถแบ่งแบตเตอรี่ใด้ 2 ซนิด ได้แก่

1. แบตเตอรี่แห้ง (dry cell) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีลักษณะเป็นแป้งเปียก (paste) ซึ่งมีความชื้นพอดีสำหรับให้กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้แบตเตอรี่แห้งสามารถนำไปใช้งานได้ไม่ว่าจะมีการจัดวางในลักษณะใด เพราะไม่มีสารที่เป็นของเหลวที่จะหกหรือรั่วออกมาข้างนอกแบตเตอรี่
2. แบตเตอรี่น้ำ (wet cell หรือ storage battery) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีสถานะเป็นของเหลวบางชนิดสามารถอัดประจุ หรือ ซาร์จได้ เช่นแบตเตอรี่ตะกั่วกรตในรถยนต์

            นอกจากนี้ ถ้าพิจารณาตามลักษณะการใช้งานของแบตเตอรี่ สามารถแบ่งแบตเตอรี่ใด้ 2 ซนิด คือ

1. แบตเตอรี่ปฐมภูมิ (primary battery)เป็นแบตเตอรี่ที่เมื่อผ่านการใช้งานแล้ว จะไม่สามารถนำกลับมาซาร์จเพื่อนำมาใช้อีกครั้งได้เช่น แบตเตอรี่แบบอัลคาไลน์ หรือ แบตเตอรี่แบบลิเทียม หรือ ที่เรียกด้วยคำทั่วไปว่า "ถ่าน"สำหรับใช้ในวิทยุ นาฬิกา หรือ รีโมทโทรทัศน์
2. แบตเตอรี่ทุติยภูมิ (secondary battery) เป็นแบตเตอรี่ที่เมื่อผ่านการใช้งานแล้ว สามารถนำมาซาร์จเพื่อนำกลับมาใช้งานได้ใหม่ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Li-ion) ที่ใช้ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ หรือโนัตบุ๊กคอมพิวเตอร์ หรือแบตเตอรี่รถยนต์

            แบตเตอรี่ทุติยภูมิ มีทั้งแบบน้ำและแบบแห้ง ชนิดที่นิยมใช้ ได้แก่ แบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด แบตเตอรี่แบบลิเทียมหรือลิเทียมไอออน และ แบตเตอรี่แบบนิกเกิซึ่งแต่ละชนิดมีปฏิกิริยาเคมีภายในและลักษณะการใช้งานแตกต่างกันตังนี้

            แบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด (lead-acid  battery) ส่วนใหญ่ประกอบตัวยเซลล์ 6 เซลล์ซึ่งมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์ละ 2 โวลด์ มีขั้ว (electrode) ทำจากตะกั่ว เมื่อมีการอัดประจุหรีอซาร์จ แผ่นตะกั่วที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นกรดซัลฟิวริก (H2SO4) จะทำให้ใด้ Pb2+ ซึ่งจะรวมกับออกซิเจน ทำให้ได้เลด (IV) ออกไซด์ดังสมการเคมี

            จากนั้น แผ่นตะกั่วที่มี PbO2 จะทำหน้าที่เป็นแอโนดในขณะที่แผ่นตะกั่วอีกแผ่น จะทำหน้าที่เป็นแคโทด ซึ่งมีปฏิกิริยาเคมีที่จ่ายกระแลไฟฟ้าและการซาร์จดังนี้

รูปที่ 1 ตัวอย่างแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด (lead-acid battery)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้ นิยมใช้ในยานพาหนะชนิดต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็น รถ เรือ จักรยานยนต์ นอกจากนี้ ยังนิยมใช้ในเครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ (UPS) และอุปกรณ์สำหรับกักเก็บพลังงานในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

            การจัดการกับแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดที่เสื่อมสภาพแล้ว ต้องมีการจัดการที่ถูกวิธี เนื่องจากตะกั่วและกรดเป็นสารที่เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต ผู้ใช้อาจนำแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดที่เสื่อมสภาพแล้วไปขายให้ร้านรับซื้อของเก่า หรือ นำไปให้ร้านขายแบตเตอรี่ เมื่อซื้อแบตเตอรี่ใหม่เพื่อให้ร้านนำไปรึไซเคิลต่อไป

รูปที่ 2 ภาพแสดงส่วนประกอบของแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดที่ใช้ในรถยนต์ทั่วไป

            แบตเตอรี่แบบลิเทียม หรือ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (lithium-ion หรือ Li-ion) ใช้ลิเทียมเป็นองค์ประกอบภายในของแบตเตอรี่เนื่องจากลิเทียมเป็นธาตุที่มีความสามารถในการให้อิเล็กตรอนได้ดีที่สุด แบตเตอรี่ชนิดนี้มีจุดโดดเด่นที่มีน้ำหนักเบา มีความจุต่อน้ำหนักสูง และไม่มี memory effect ที่ทำให้การอัดประจุเข้าใหม่ขณะที่ยังมีประจุไฟฟ้าเดิมค้างอยู่ซึ่งส่งผลให้แบตเตอรี่ไม่สามารถชาร์จได้ความจุสูงสุดที่เคยมีได้

            ขั้วบวกหรือแคโทดของแบตเตอรี่แบบลิเทียมไอออนทำจากสารประกอบที่มีลิเทียม ไม่ว่าจะเป็น Lithium Cobalt Oxide (LiCoO,) Lithium Manganese Oxide (LiMn,O ) Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) โดยแต่ละชนิด จะให้สมบัติของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่แตกต่างกัน

            ขั้วลบหรือแอโนดของแบตเตอรี่ ทำจากแกรไฟต์ซึ่งเป็นผลึกของธาตุคาร์บอน ส่วนอิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายอินทรีย์ที่มีส่วนผสมของเกลือลิเทียม

            สำหรับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่เป็นที่นิยมมากที่สุดที่ใช้ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ แท็บเล็ต และโน้ตบุ๊ก คอมพิวเตอร์ คือแบบที่แคโทดทำจาก Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) ซึ่งจะมีปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเวลามีการจ่ายกระแสไฟฟ้าและการชาร์จดังนี้ (ให้ x เป็นจำนวนโมล)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้นิยมใช้ในอุปกรณ์พกพาต่าง ๆ เช่นโทรศัพท์เคลื่อนที่ แท็บเล็ต และโน้ตบุ๊ก คอมพิวเตอร์ รวมทั้งในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้า รถยนต์ประเภทไฮบริดการจัดการกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้ว สามารถทิ้งรวมกับขยะทั่วไปได้ แต่เนื่องจากสารต่าง ๆ ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ถ้ามีจุดรวบรวมแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วเพื่อนำไปรึไซเคิล ในบริเวณพื้นที่ใกล้เคียงให้นำแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนไปทิ้งที่จุดรับทิ้ง

รูปที่ 3 ตัวอย่างแบตเตอรี่แบบลีเทียมไอออน (Li-ion)

            แบตเตอรี่แบบนิกเกิล (nickel-based battery) ขั้วบวกหรือแคโทดของแบตเตอรี่นิกเกิลทำจากสารประกอบของนิกเกิล (III) ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ นิกเกิลออกไซด์ไฮดรอกซด์ (NiO(OH)) เคลือบอยู่บนโลหะนิกเกิล ในขณะที่ขั้วลบหรือแอโนด ทำจากสารเคมีที่แตกต่างกัน เช่น แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม (NiCd หรือ Ni-Cd) ใช้โลหะแคดเมียมเป็นแอโนด ส่วนแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดร์ (NIMH หรือ Ni-MH) ใช้โลหะผสม หรือ อัลลอย (alloy) ที่มีสมบัติดูดซับไฮโดรเจนเป็นแอโนดส่วนอิเล็กโทรไลต์เป็นสารแอลคาไลน์ ซึ่งส่วนใหญ่คือ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อมีการจ่ายกระแไฟฟ้าและการชาร์จ เป็นดังนี้ (ให้ x เป็นจำนวนโมล)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้นิยมใช้ในอุปกรณ์พกพาต่าง ๆ เช่น เครื่องคิดเลข กล้องถ่ายรูป เลเซอร์ชนิดไร้สาย การจัดการกับแบตเตอรี่นิกเกิลที่ใช้แล้ว ควรแยกเป็นขยะที่เป็นพิษ เนื่องจาก แคดเมียมเป็นโลหะหนักที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต จากนั้นให้นำไปทิ้งในจุดรับทิ้งของหน่วยงานห้างร้าน หรือ จุดรวบรวมแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว เพื่อให้ผู้ที่เกี่ยวข้องได้ดำเนินการกำจัดอย่างถูกวิธีต่อไป

รูปที่ 4 ตัวอย่างแบตเตอรี่แบบนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (NiIMH)

            ในตอนที่ 3 ของบทความ "แบตเตอรี่อุปกรณ์ให้พลังงานแห่งอนาคต" จะกล่าวถึงแนวทางการใช้แบตเตอรี่ให้มีประสิทธิภาพและปลอดภัยรวมทั้งการพิจารณาสาเหตุการระเบิดของแบตเตอรี่ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ หรือ เครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ และแนวทางการป้องกัน

รูปที่ 5  ตัวอย่างแบตเตอรี่บวม

ที่มา http://www.whatphone.net/wp-content/uploads/2014/06/1280px-expanded_lithium-ion_polymer_battery_from_a_apple_iphone_3gs.jpg

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานูกรม

Buchman, I. (2015). Battery University. Retrieved December 4, 2016, from http://batteryuniversity.com.

Rechargeable Battery Recycling Corporation & National Geographic Society. Battery Lesson Plan. Retrieved December 4, 2016, from http://www.panasonic.com/environmental/rbrc._lesson_plan.pdf.สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคนโลยี. (2556). หนังสือเรียน รายวิชาเพิ่มเติม เคมี เล่ม 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6.กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์องค์การค้าของ สกสค.

หัวเรื่อง และคำสำคัญ

พลังงาน, แบตเตอรี่, ไฟฟ้า, แหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้า

ลิขสิทธิ์

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)

สาขาวิชา/กลุ่มสาระวิชา

ฟิสิกส์

ระดับชั้น

ปฐมวัย
ป.1
ป.2
ป.3
ป.4
ป.5
ป.6
ม.1
ม.2
ม.3
ม.4
ม.5
ม.6

ช่วงชั้น

ทุกช่วงชั้น
ปฐมวัย
ประถมศึกษาตอนต้น
ประถมศึกษาตอนปลาย
มัธยมศึกษาตอนต้น
มัธยมศึกษาตอนปลาย

กลุ่มเป้าหมาย

ครู
นักเรียน
บุคคลทั่วไป

ดูเพิ่มเติม

คุณอาจจะสนใจ

Hits

อเลสซานโดร วอลตา (Alessandro Volta) เกิดเมื่อ วันที่ 18 กุมภาพันธ์ พ.ศ.2288 ในอิตาลี บิดาเป็นนักเทศ ...

Hits

ถ้าผู้อ่านเคยได้ศึกษาวิชาฟิสิกส์ในสมัยเรียนมัธยมปลายมาบ้างแล้ว ก็น่าจะเคยได้ยินประโยคที่ว่า “พลังงา ...

Hits

”ยุคแห่งยานยนต์ไฟฟ้า” เข้าใกล้คำว่าเต็มรูปแบบขึ้นมาทุกที เพราะก็มีรถยนต์ไฟฟ้าได้ถูกนำมาใช้งานกันอย่ ...

แบตเตอรี่รถยนต์ใช้กระแสไฟฟ้าแบบใด

แบตเตอรี่มีประโยชน์อย่างไร

แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าประกอบด้วยอะไรบ้าง

แบตเตอรี่รถยนต์ช่วยดะไรบ้าง