สสารพันความรู้ด้านพลังงาน · 2016-08-02 · 52...
TRANSCRIPT
สารพนความรดานพลงงานสดร.พมพา ลมทองกล
หองปฏบตการวสดและงานระบบเพอใชประโยชนทางพลงงานไฟฟาเคม หนวยวจยวสดสำหรบพลงงาน
• ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาตe-mail: [email protected]
ในตอนทแลวไดนำเสนอขอมลเกยวกบแบตเตอรกรดตะกวทพบบอย ครงนขอเสนอเกยวกบ แบตเตอรแบบชารจไฟใหมได (rechargeable) ทไดรบการพฒนาใหมความจพลงงานสงกวา แบตเตอรกรดตะกวทใชกนมาตงแตป ค.ศ. 1859 จนถงปจจบน พฒนาการของแบตเตอรยคหลงมกอาศยสารประกอบของโลหะประเภทอนทไมใชตะกว เพอลดนำหนกของแบตเตอรใน ขณะทมความจไฟฟามากกวาเดม เชน แบตเตอรในกลมสารประกอบโลหะนกเกล หรอแบตเตอร ในกลมสารประกอบลเทยม เปนตน บทความนจะเนนแบตเตอรในกลมโลหะและสารประกอบโลหะนกเกล
รจกแบตเตอรตอนท 3
เมษายน - มถนายน 255852
ถาม : แบตเตอรนกเกลมกประเภท
ตอบ : แบตเตอรในกลมนทใชกนมากม 5 ประเภทดงน (ประเภทท 1 และ 2 มใชมากกวาประเภทอน)
1) แบตเตอรนกเกล-แคดเมยม (Nickel-Cadmium, Ni-Cd หรอ NiCadTM)1 ใชในอปกรณไฟฟาและอเลกทรอนกสทวไป เชน ไฟฉายฉกเฉน แฟลชสำหรบกลองถายรป
อปกรณและเครองมอชางแบบไรสาย
2) แบตเตอรนกเกล-เมทลไฮไดรด (Nickel-metal hybrid, Ni-MH)2 ใชในอปกรณไฟฟาและอเลกทรอนกสทวไป เชน อปกรณสอสารแบบไรสาย หนวยสำรองไฟฟา
(UPS) สำหรบสถานสง คลนโทรศพทและโทรทศน และรถยนตไฟฟา
3) แบตเตอรนกเกล-เหลก (Nickel-iron, Ni-Fe) หรอแบตเตอรเอดสน (Edison Battery) ใชในอปกรณไฟฟาและอเลกทรอนกสทวไป และรถยนตไฟฟา3
4) แบตเตอรนกเกล-สงกะส (Nickel-Zinc, Ni-Zn) ใชในอปกรณไฟฟาและอเลกทรอนกสทวไป กลองถายรป อปกรณ และเครองมอชางแบบไรสาย
5) แบตเตอรนกเกล-ไฮโดรเจน (Nickel-Hydrogen, Ni-H2)
ใชงานในอวกาศ เชน ดาวเทยม
1 NiCad ทใชเรยกแบตเตอร NiCd แทจรงแลวเปนเครองหมายการคาของ SAFT Corporation 2 แบตเตอรนกเกลเมทลไฮไดรดทใชกบรถยนตไฮบรด โตโยตา พรอส (Toyota Prius) มสารประกอบของโลหะ
หายาก ไดแก แลนทานม (La) นโอดเมยม (Nd) เพรซโอดเมยม (Pr) และซาแมเรยม (Sm) มากทสดในโลก โดยรถรนน หนงคนอาจมธาตโลหะหายากอยถง 10-48 กโลกรมเลยทเดยว! [1]
3 ใน ค.ศ. 1899 วาลเดอมาร ยงเนอร (Waldemar Jungner) นกวทยาศาสตรชาวสวเดนผคดคนแบตเตอร Ni-Cd ยง คดคนแบตเตอร Ni-Fe ดวย แตการใชงานไมแพรหลาย จนกระทงเอดสน (Thomas Edison) ไดพฒนา และ นำมาใชเปนแบตเตอรสำหรบรถยนตไฟฟาสมยแรกๆ เพราะมความจพลงงานมากเปนสองเทา แตใชเวลาชารจไฟ นอยกวาแบตเตอรกรดตะกวสองเทา [2]
ภาพท 1 แบตเตอรนกเกลประเภทตางๆ
เมษายน - มถนายน 2558 53
ภาพท 2 แบตเตอรนกเกล-เหลกหรอแบตเตอรเอดสนทใชในรถไฟฟายคแรกๆ แทนแบตเตอรกรดตะกว
ถาม : แบตเตอรนกเกลแตละประเภทมความเหมอนหรอตางกนอยางไร
ตอบ : แบตเตอรในกลมนกเกลมความเหมอนกนทขวบวก กลาวคอ ทำจากสารประกอบนกเกลออกซ ไฮดรอกไซด (NiOOH) เพอรบประจลบขณะใชงาน สวนทตางกนคอ วสดทเปนขวลบ
ตารางท 1 แสดงวสดทใชทำขวของแบตเตอรในกลมนกเกล (ในสถานะทชารจไฟแลว) จะเหนวา วสดขวบวกของแบตเตอรในกลมนทำจาก NiOOH ทงหมด แตวสดทใชเปนขวลบตางกน ดงนน ปฏกรยาทเกดขนกจะใหคาความตางศกยทไมเทากน
ตารางท 1 แสดงวสดและคาความตางศกยของเซลลแบตเตอรนกเกลชนดตางๆ
ประเภทของแบตเตอรนกเกล
วสดขวบวก วสดขวลบ อเลกโทรไลต โวลต/เซลล
Ni-Cd NiOOH Cd KOH 1.2
Ni-MH NiOOH M-H KOH 1.2
Ni-Fe NiOOH Fe KOH 1.40
Ni-Zn NiOOH Zn KOH 1.65
Ni-H2
NiOOH H2(g)
KOH 1.2
เมษายน - มถนายน 255854
ถาม : เหตใดจงไมคอยพบแบตเตอรประเภท Ni-Cd ในปจจบน
ตอบ : บทความตอนท 2 ไดนำเสนอตลาดของแบตเตอร Ni-Cd วามมลคาตำกวา 2% ของแบตเตอร ใหมทงหมดและมปรมาณการใชงานลดลงอยางตอเนอง ทงนเพราะความเปนพษของแคดเมยมท สงผลตอรางกายหากไดรบเขาไปในปรมาณมาก เดกทไดรบสารแคดเมยมมากเกนไปจะสงผลตอ พฒนาการทางสมอง สวนผใหญทำใหเปนโรคอไต-อไต (itai-itai) ซงมอาการผดปกตตางๆ ไดแก กระดกออน ไตและตบถกทำลาย สายตาบกพรอง เปนมะเรง และการเจรญพนธบกพรอง (เปนหมน)
สหภาพยโรปจงบงคบใช EU Batteries Directive 2006/66/EC กลาวคอ หามใชแบตเตอร ทมสวนประกอบของแคดเมยมมากกวา 0.002% ตงแต ค.ศ. 2006 ยกเวนแบตเตอรทใชกบไฟ และสญญาณฉกเฉน อปกรณการแพทย และอปกรณและเครองมอชางแบบไรสาย และกำลงราง ระเบยบหามใชงานแบตเตอร Ni-Cd เพมเตมสำหรบอปกรณและเครองมอชางแบบไรสาย ซงคาดวา จะหามใชภายใน ค.ศ. 2016 [4]
ตารางท 2 เปรยบเทยบสมบตของแบตเตอรนกเกลประเภทตางๆ (ดดแปลงมาจากเอกสารอางอง 3)
สมบต หนวยประเภทของแบตเตอรนกเกล
Ni-Cd Ni-MH Ni-Fe Ni-Zn Ni-H2
ความจพลงงานตอนำหนก
Wh/Kg 10-40 45-110 30 60-110 64
ความจพลงงานตอปรมาตร
Wh/L 15-100 170-430 55 110-360 105
กำลงไฟฟา ปานกลาง-สง สง ต -ปานกลาง สง ปานกลาง
ประสทธภาพการเกบ/ปลอยประจ (Charge/discharge
efficiency)
% 70-90 66 65-80
อตราการสญเสยประจระหวางไมใชงาน (Self discharge rate)
%/เดอน 5-15 15-30 20-40 20 สงมาก
อายการใชงาน ป 5-25 5-10 8-25 - -
อายการใชงาน ครง 500-10000 500-1000 2000-4000 900 1500-6000
แรงดนของแบตเตอร (Nominal cell voltage)
โวลต 1.2 1.2 1.2 1.65 1.4
ชวงอณหภมใชงาน oC -50 ถง 70 -20 ถง 65 -10 ถง 45 -20 ถง 50 0 ถง 50
เมษายน - มถนายน 2558 55
เนองจากแคดเมยมเปนพษจงมการคดคนแบตเตอรประเภทอน เชน Ni-MH มาทดแทน นบตงแต ค.ศ. 1990 ทแบตเตอร Ni-MH เขาสตลาด [5] ปรมาณการใชแบตเตอร Ni-Cd กลดลงมาก สวนประเทศไทยยงไมมการหามนำเขาและใชงานแบตเตอร Ni-Cd จงยงพอเหนบาง แตกลด นอยลงตามแนวโนมของโลกทใชและผลตนอยลง
ภาพท 3 พษของแคดเมยม
ภาพท 4 สถตมลคาของแบตเตอรแบบชารจไฟใหมไดประเภท Ni-Cd, Ni-MH และ Li-ionโดย ค.ศ. 2008-2009 เปนการคาดการณ
ถาม : แบตเตอร Ni-MH และ Ni-Cd แตกตางกนอยางไร ถาเปลยนมาใช แบตเตอร Ni-MH แทน Ni-Cd ไดหรอไม
ตอบ : แบตเตอร Ni-MH นอกจากจะมความเปนพษนอยกวาแบตเตอร Ni-Cd ทนำหนกเทากนแลว ยงม ความจไฟฟาสงกวาประมาณรอยละ 30 ดวย อยางไรกด แมแบตเตอรสองประเภทนจะมแรงดน
Rech
arge
able B
attery M
arke
t va
lue
(in M
S/yr)
0
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
9,000
7,000
5,000
3,000
1,000
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2008
F
2009
F
2007
Li-ion
NiMH
NiCd
เมษายน - มถนายน 255856
เทากน แตแบตเตอร Ni-MH บางแบบไมสามารถใหกระแสไฟในอตราทสงเทาแบตเตอร Ni-Cd (นอยกวาประมาณ 4 เทา) ทำใหกำลงไฟฟาอาจไมพอสำหรบอปกรณทเคยใชแบตเตอร Ni-Cd มากอน อกทงอาจมอายการใชงานสนกวาประมาณ 3 เทา และมอตราการสญเสยประจขณะ ไมไดใชงาน (self discharge) มากกวาถงเทาตว ทำใหคาใชจายในการใชงานแบตเตอร Ni-MH ตลอดอายการใชงานสงกวาแบตเตอร Ni-Cd ประมาณ 3 ถง 4 เทา นอกจากน แบตเตอร ทงสองยงมอตราการชารจไฟทแตกตางกนทำใหไมสามารถใชเครองชารจชนดเดยวกนได กลาวคอ แบตเตอร Ni-MH ไมสามารถรบกระแสครงละมากๆ เทาแบตเตอร Ni-Cd จงตองใชเครองชารจ ทใชเวลานานกวา [6]
การทแบตเตอร Ni-MH ไมมสมบตทสามารถทดแทนแบตเตอร Ni-Cd ไดทงหมดจงไมแนะนำ ใหใชแบตเตอร Ni-MH แทนแบตเตอร Ni-Cd ในเครองใชไฟฟาชนดเดยวกน กลาวคอ ถาจะใช แบตเตอร Ni-MH กจำเปนตองออกแบบอปกรณใหมใหเหมาะสม สวนการใชงานทตองการกำลงไฟฟาสง เชน เครองมอชางแบบไรสาย หรอไฟฉกเฉนกยงคงใชแบตเตอร Ni-Cd อยบาง แมจะมการออกแบบอปกรณสมยใหมใหใชแบตเตอรลเทยมไอออนแทนแบตเตอร Ni-Cd แลวกตาม
ถาม : แบตเตอร Ni-Cd และ Ni-MH หมดเรวทงๆ ทชารจไฟไวเตมตลอด และมก อธบายวา เนองจากแบตเตอรพวกนม “ความจำ” หมายความวาอยางไร?
ตอบ : แบตเตอรประเภทนกเกลอาจหมดเรวทงทชารจเตมอยตลอด ซงพบบอยกบการใชงานในครวเรอน เนองจากมกนำแบตเตอรทยงใชไมหมดไปชารจไฟกอน ยกเวนในอปกรณบางประเภท และทวากนวา แบตเตอรม “ความจำ” ตามทเขาใจกนทวไปนนหมายความวา แบตเตอรจำไดวาครงกอนไดให พลงงานไปเทาไร ครงตอมากจะเปลยนสภาพตวเองใหมความจเทาทเคยใชไป ในภาษาองกฤษ เรยกพฤตกรรมนวา Memory Effect ซงเกดขนจรงในแบตเตอรประเภทนกเกล พฤตกรรมน เกดจากความจพลงงานของแบตเตอรถกจำกดโดยระดบไฟในแบตเตอรทเหลออยกอนทจะชารจไฟ กลาวคอ ความจจะเหลอเพยงระดบทใชไปกอนการชารจไฟเทานน ดงนน หากไมไดใชงานจน ใกลหมดอยเปนประจำจะทำใหดเหมอนวาความจของแบตเตอรลดลงกวาเดมมาก
ถาม : สาเหตททำใหแบตเตอรม “ความจำ” ทไมพงประสงคคออะไร สามารถ ปองกนหรอแกไขไดหรอไม?
ตอบ : สาเหตทแบตเตอรม “ความจำ” ทไมพงประสงคเกดจากการเปลยนแปลงโครงสรางจลภาคของ ขวบวกและขวลบในสวนทไมถกใชงานเปนระยะเวลานาน โดยปกตขนาดของผลกทขวจะมขนาด เลกทำใหมพนผวโดยรวมทจะทำปฏกรยาใหเกดไฟฟานนมาก การทสวนหนงของแบตเตอรไมไดถก ใชงานกอนการชารจไฟจะเกดการโตของเกรนทำใหขนาดผลกใหญขนสงผลใหพนผวโดยรวมของขว ลดลง การเกดปฏกรยาทกอใหเกดไฟฟายากขนเนองจากมความตานทานทางไฟฟาสงขน และเกดการเสอมสมรรถนะของแบตเตอรสวนนนในทสด
การปองกนไมใหแบตเตอรเกด Memory Effect คอ ไมควรใชแบตเตอรไปชารจไฟไป ควรใช แบตเตอรจนหมด หากทำเชนนไมไดทกครงกใหใชแบตเตอรจนหมดอยางนอยเดอนละครง เพอให ขนาดของผลกในขวบวกคงสภาพทใกลเคยงเดม สวนวธแกไขทนยมคอ อาศยอปกรณทสามารถ ดงกระแสไฟจนแบตเตอรมศกยไฟฟาทตำกวาปกต หรอประมาณ 0.4-0.6 โวลตตอเซลลเพอให ผลกใหญทเกดทขวนนแตกตวและมขนาดเลกลง ปจจบนมการพฒนาเพอลดการเกด Memory Effect ในแบตเตอรประเภท Ni-MH โดยบรษทซนโย/พานาโซนค (Sanyo/Panasonic) ภายใต ยหอ Eneloop [7]
เมษายน - มถนายน 2558 57
ฉบบหนาผเขยนจะนำเสนอขอมลเกยวกบแบตเตอรแบบชารจไฟใหมได ทใชกนมากในขณะนคอ แบตเตอร ประเภทลเทยมไอออน
ภาพท 5 สาเหต “ความจำ” ทไมพงประสงคของแบตเตอรประเภทนกเกลและวธการแกไข
เอกสารอางอง
1. Tim Folger, “The Secret Ingredients to Everything”, National Geographic Magazine, June 2011.2. http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93iron_battery
3. Linden’s Handbook of Batteries 4th edition, ed. T.B. Reddy, McGraw-Hill, 2011 pp. 15.10-15.114. OJ L 266, 26.9.2006, p. 1., as last amended by Directive 2008/103/EC (OJ L 327, 5.12.2008, p. 7–8)
5. https://www.batteryuniversity.com6. https://www.servocity.com/html/nicad_vs__nimh_batteries.html#.VOG8qS4po2I
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Eneloop
ภาพประกอบ
แบตเตอรนกเกลประเภทตางๆhttp://en.wikipedia.org/wiki/Nickel%E2%80%93cadmium_battery
http://powerupplus.cdu.edu.au/textImages/digcamera3.htmlhttp://www.hi-tronics.ca/shop/batteries/aa-nickel-zinc-nizn-rechargeble-battery/
http://global.rakuten.com/en/store/mutsuura/item/10259881/http://ironedison.com/iron-edison-usa-series-nickel-iron-nife-battery
แบตเตอรเอดสน:http://blogs.wsj.com/ideas-market/2012/07/02/edisons-battery-reborn/
http://electrical4u.com/nickel-iron-batteries-or-edison-batteries/อนตรายของแคดเมยม:
http://media.cleveland.com/world_impact/photo/cadmium-hazardjpg-417b5d675d1518db.jpgสดสวนตลาดแบตเตอร Ni-Cd, Ni-MH และ ลเทยมไอออน:
http://static.seekingalpha.com/uploads/2008/11/20/saupload_hai_bb_chart2.pngMemory Effect:
http://www.nipron.com/product_info/encyclopedia/5_3.htm