มีกลไกการเสื่อมอายุโดยทั่วไปสองประการสำหรับแบตเตอรี่ แบตเตอรี่อาจจะไม่สามารถให้พลังงานที่จำเป็นสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าได้ในเวลาที่ต้องการ ซึ่งเราเรียกว่า การสูญเสียความจุ (capacity loss) หรืออาจจะไม่สามารถให้กำลังในการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า ซึ่งเราเรียกว่าการสูญเสียกำลัง (power loss)
ด้วยวงรอบการชาร์จและคายประจุที่เกิดขึ้นซำ้ๆ ก่อให้เกิดความเสียหายเล็กๆและคงอยู่ถาวร เป็นผลให้แบตเตอรี่ไม่สามารถได้ความจุกลับมาเท่าเดิมเหมือนตอนเริ่มต้นได้ ปรากฎการณ์นี้เราเรียกว่าความเสื่อมของแบตเตอรี่เมื่อมีอายุมาก (battery aging)
มันมีหลายความเป็นไปได้ที่ลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่บนพื้นฐานของปฏิกิริยาทางเคมี มันยากที่จะฟันธงลงไปได้ว่าอะไรเป็นสาเหตุหลักของการสูญเสียความจุ หรือสูญเสียกำลังของแบตเตอรี่ อายุของแบตเตอรี่มีผลต่อความจุของประจุแบตเตอรี่ลดลง การเพิ่มความต้านทานภายในและอัตราการคายประจุเองที่เพิ่มขึ้น
การลดลงของความจุ (capacity fade)
ภายในของแบตเตอรี่สามารถเปรียบเทียบได้กับแท้งค์นำ้ที่แบ่งเป็น 3 ส่วนดังรูปที่ 1 ส่วนแรกเปรียบเสมือนนำ้ที่อยู่ในถัง หรือสถานะที่ชาร์จ (state of charge, SOC) ส่วนที่สองเป็นส่วนที่ว่างที่ยังสามารถบรรจุน้ำได้ ส่วนนี้เปรียบเสมือนความลึกของการคายประจุ (depth of discharge, DOD) และส่วนที่สามเป็นส่วนที่ใช้งานไม่ได้เปรียบเสมือนหินที่อยู่ในถังที่แทนความเสื่อมที่เป็นส่วนเล็กๆอย่างถาวรของแบตเตอรี่อันเนื่องมาจากอายุที่มากขึ้น
รูปที่ 1 แบตเตอรี่ที่มีอายุมาก
แบตเตอรี่เริ่มเสื่อมตั้งแต่วันที่ผลิต แบตเตอรี่ใหม่ควรจะส่งมอบประจุได้ 100 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเวลาผ่านไปประสิทธิภาพจะลดลงอีกและแบตเตอรี่จะมีขนาดเล็กลงในแง่ของความสามารถในการเก็บประจุ ควรเปลี่ยนแบตเตอรี่แพ็คเมื่อความจุลดลงถึง 80 เปอร์เซ็นต์ (ซึ่งลดลงเพียง 20 เปอร์เซ็นต์จาก 100 เปอร์เซ็นต์) เกณฑ์การสิ้นสุดอายุการใช้งานอาจแตกต่างกันไปตามการใช้งานและนโยบาย
การเสื่อมตามอายุของแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรดนั้นหลักๆเกิดจากการเกิดซัลเฟต (sulfation) และการกัดกร่อน ซัลเฟตเป็นชั้นบาง ๆ ที่ก่อตัวบนแผ่นเซลล์ลบหากแบตเตอรี่อยู่ในสถานะที่มีประจุไฟฟ้าต่ำเป็นเวลานาน ถ้าซัลเฟตเกาะไม่นาน การชาร์จแบบอีควอไลซ์สามารถช่วยปรับคืนสภาพได้ ส่วนแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลสิ่งที่เรียกว่า”หิน”มักเป็นผลมาจากการก่อตัวของผลึกหรือที่เรียกว่า "memory" และบางครั้งการคายประจุจนสุดสามารถทำให้แบตเตอรี่กลับคืนสภาพมาได้ กระบวนการเสื่อมของลิเธียมไอออนคือการออกซิเดชั่นของเซลล์ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติโดยเป็นส่วนหนึ่งของการใช้งานและการเสื่อมสภาพที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
ความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น(rising internal resistance)
ความจุของแบตเตอรี่ที่สูงอาจมีการใช้งานได้ที่จำกัด หากแบตเตอรี่ไม่สามารถส่งจ่ายพลังงานที่เก็บไว้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อที่จะดึงพลังงานออกมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แบตเตอรี่ต้องมีความต้านทานภายใน (internal resistance) ต่ำ ความต้านทาน หน่วยวัดเป็นมิลลิโอห์ม (mΩ) เปรียบเสมือนผู้รักษาประตูของแบตเตอรี่ ยิ่งมีค่าตัวเลขต่ำ แบตเตอรี่แพ็คก็จะยิ่งมีข้อจำกัดน้อยลง สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งกับงานหนักและใช้กระแสสูงเนื่องจากความต้านทานที่สูงขึ้นจะทำให้แรงดันไฟฟ้าลดลงและกระตุ้นให้อุปกรณ์ไฟฟ้าหยุดทำงานก่อนกำหนด รูปที่ 2 แสดงให้เห็นถึงแบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในต่ำและความต้านทานภายในสูง โดยแบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในต่ำเปรียบเสมือนก็อกนำ้ที่สามารถปล่อยนำ้ออกได้เต็มที่ ส่วนแบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในสูงเปรียบเสมือนก็อกนำ้ที่มีสิ่งอุดตันเกาะอยู่ ทำให้นำ้ไหลออกไม่ค่อยสะดวก
รูปที่ 2: ผลของความต้านทานภายในแบตเตอรี่
แบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในต่ำให้กระแสไฟสูงตามความต้องการใช้ ความต้านทานสูงทำให้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลง มีผลทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าตัดการทำงานและทิ้งพลังงานที่เหลือไว้
ความต้านทานภายในให้ข้อมูลที่มีความหมายอย่างมีนัยสำคัญ ตัวเลขที่สูงขึ้นบ่งบอกถึงการใกล้ถึงการหมดอายุใช้งานของแบตเตอรี่ สิ่งบ่งชี้นี้เป็นจริงสำหรับแบตเตอรี่ที่ทำมาจากนิกเกิล วิธีการวัดต้านทานภายในจะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อเปรียบเทียบการอ่านค่าแบตเตอรี่ที่กำหนดตั้งแต่แรกเกิดจนถึงสิ้นสุดอายุ และต้องวัดค่าที่ระดับการชาร์จ (SOC)ในระดับเดียวกัน และระดับอุณหภูมิเดียวกันเพราะค่าความต้านทานภายในแปรผันตาม SOC เช่น Li-ion มีความต้านทานภายในสูงขึ้นเมื่อชาร์จเต็มและเมื่อสิ้นสุดการคายประจุ โดยมีช่วงที่ต้านทานภายในต่ำอยู่ช่วงตรงกลาง และอุณหภูมิเย็นจะเพิ่มความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ทุกชนิด
มีความคิดว่าความต้านทานภายในเกี่ยวข้องกับความจุ (capacity) แต่ความคิดนั้นไม่จริงเสมอไป ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ทันสมัย ค่อนข้างคงที่ตลอดอายุการใช้งาน สารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์ที่ดีขึ้นช่วยลดปัญหาการกัดกร่อนภายในที่ส่งผลต่อความต้านทานภายใน การกัดกร่อนนี้เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยากาฝากบนอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรด รูปที่ 3 แสดงถึงความจุที่ลดน้อยลงตามจำนวนวงรอบการชาร์จและคายประจุ ในความสัมพันธ์กับความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ Li-ion
รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างความจุ และความต้านทานภายใน
กับจำนวนรอบของการชาร์จและคายประจุ ของแบตเตอรี่ Li-ion
ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่แพ็ค ไม่ได้ประกอบด้วยความต้านทานภายในของเซลล์เพียงอย่างเดียว แต่ยังรวมถึงการเชื่อมต่อ ฟิวส์ วงจรป้องกัน และสายไฟอีกด้วย
ความเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่อันเนื่องมาจากอายุการใช้งานนั้น ความเสื่อมในด้านของความจุนั้นมีผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่มากว่าปัญหาด้านความต้านทานภายใน ลักษณะนี้เห็นได้ชัดในแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรดและชนิดที่ทำมาจากลิเธียม การวัดความจุของแบตเตอรี่นั้นมีความหมายมากกว่าการวัดความต้านทานภายใน แต่การวัดค่าความจุนั้นมีความซับซ้อนกว่าการวัดค่าความต้านทานภายใน
อัตราการคายประจุเองเพิ่มขึ้น (elevated self-discharge)
การสูญเสียความจุ (capacity loss) ยังสามารถมาในรูปแบบของการคายประจุเอง (self discharge) ที่เพิ่มขึ้น เนื่องด้วยแบตเตอรี่มีวงรอบการชาร์จและคายประจุตลอดการใช้งาน อัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่สามารถเพิ่มขึ้นได้
แบตเตอรี่ทั้งหมดได้รับผลกระทบจากการคายประจุเอง การคายประจุเองไม่ใช่ข้อบกพร่องในการผลิต แต่การผลิตที่ไม่ดีและการจัดการที่ไม่เหมาะสมสามารถเพิ่มปัญหานี้ได้ ปริมาณการรั่วของประจุจะแตกต่างกันไปตามชนิดของเคมี เซลล์ชนิดลิเธียมและอัลคาไลน์เป็นเซลล์ที่ดีที่สุดในการกักเก็บพลังงาน แบตเตอรี่ชนิดที่ใช้นิกเกิลเป็นพื้นฐานมีอัตราการรั่วของประจุมากที่สุดและจำเป็นต้องชาร์จเพิ่มเติมหากเก็บไว้สักพัก แบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูงที่ใช้นิกเกิลเป็นพื้นฐานอาจมีการคายประจุเองได้สูงกว่ารุ่นมาตรฐานที่มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่า รูปที่ 4 จำลองรูปแบบการคายประจุเองของแบตเตอรี่ที่เปรียบเสมือนนำ้รั่วออกจากแท้งค์น้ำ
รูปที่ 4: ผลของการคายประจุเองสูง
การคายประจุเองจะเพิ่มขึ้นตามอายุ จำนวนวงรอบการชาร์จและคายประจุ และอุณหภูมิที่สูงขึ้น การสูญเสียพลังงานนั้นไม่คงที่ อัตราการคายประจุเองนั้นสูงสุดทันทีหลังจากชาร์จเสร็จ จากนั้นอัตราการคายประจุเองลดลง แบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลสูญเสียความจุ 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ใน 24 ชั่วโมงแรกหลังการชาร์จเสร็จ จากนั้น 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ต่อเดือน รูปที่ 5 แสดงการสูญเสียความจุของแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลในขณะเก็บรักษา
รูปที่ 5: การสูญเสียความจุของแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลในขณะเก็บรักษา
หนึ่งในแบตเตอรี่ที่ดีที่สุดในแง่ของอัตราการคายประจุเองคือแบตเตอรี่ตะกั่วกรด มันเสียความจุเพียงห้าเปอร์เซ็นต์ต่อเดือน ลิเธียมไอออนจะมีอัตราการคายประจุเองประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ใน 24 ชั่วโมงแรกและ 1 ถึง 2 เปอร์เซ็นต์หลังจากนั้น แต่ความจำเป็นในการใช้วงจรป้องกันจะเพิ่มการคายประจุอีก 3 เปอร์เซ็นต์ต่อเดือน
อัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ทุกชนิดจะเพิ่มขึ้นที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นและโดยทั่วไปอัตราจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุก ๆ 10 ° C (18 ° F) ดังนั้นการเก็บรักษาแบตเตอรี่ควรเก็บไว้ในห้องควบคุมอุณหภูมิที่ต่ำ จำนวนวงรอบการชาร์จและคายประจุและอายุของแบตเตอรี่ มีผลเพิ่มอัตราการคายประจุ แบตเตอรี่นิกเกิล - เมทัล - ไฮไดรด์มีวงรอบการใช้งานอยู่ที่ 300-400 รอบในขณะที่แบตเตอรี่นิกเกิล - แคดเมียมมาตรฐานมีอายุการใช้งานมากกว่า 1,000 รอบก่อนที่อัตราการคายประจุเองที่เพิ่มขึ้นจะเริ่มมีผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ การคายประจุเองในแบตเตอรี่อายุมากที่ใช้นิกเกิลอาจส่งผลเสียมากจนแบตเตอรี่แพ็คสูญเสียพลังงานส่วนใหญ่ผ่านการรั่วไหลมากกว่าการใช้งานปกติ แนะนำให้ทิ้งแบตเตอรี่หากอัตราการคายประจุเองสูงถึง 30 เปอร์เซ็นต์ใน 24 ชั่วโมง
อัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ Li-ion นั้นคงที่พอสมควรตลอดอายุการใช้งานและไม่เพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัดตามอายุ
สาเหตุเมื่อเกิดการคายประจุเองนั้น ในแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรดปัจจัยที่นำไปสู่ความล้มเหลวนี้คือการสะสมของตะกอนด้านล่างของแบตเตอรี่ ตะกอนเป็นสารกึ่งตัวนำและเมื่อตะกอนสะสมมาถึงแผ่นธาตุจะเกิดการลัดวงจร สำหรับแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิล ตัวคั่น (separator) ที่อ่อนแอ หรือเสียหายเป็นสาเหตุของการคายประจุในตัวเองสูง ปัจจัยที่เป็นสาเหตุนั้นมาจากการเกิดผลึก crystalline (memory) หรือเกิดจากการปล่อยให้แบตเตอรี่ชาร์จอยู่ในเครื่องชาร์จนานเกินความจำเป็น หรือเกิดจากการคายประจุลึกเกินไปซ้ำหลายรอบ ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตัวคั่นที่ผิดปกติมีส่วนเพิ่มอัตราการคายประจุเอง ในกรณีที่รุนแรง ความร้อนที่เกิดจากการรั่วของไฟฟ้าส่งผลให้แผ่นคั่นที่เสียหายยิ่งอ่อนแอลง สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การเสียหายจากความร้อน
เอกสารอ้างอิง
[1] Battery University, [Online]. Available: www.batteryuniversity.com
[2] “Battery Aging and Characterization of Nickel Metal Hydride and Lead Acid Batteries”, Nick Picciano, The Ohio State University
AEC Hybrid Plus ให้บริการตรวจเช็คแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery testing) ซ่อมแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery repair) ฟื้นฟูสภาพแบตเตอรี่ (Hybrid battery reconditioning) และเปลี่ยนชุดแบตเตอรี่ไฮบริด(Hybrid battery rebuild/replacement) ด้วยเครื่องมือที่ทันสมัย อะไหล่ที่มีคุณภาพและทีมงานที่เชี่ยวชาญ พร้อมใบรับประกัน
留言