แบตเตอรี่ประเภทต่างๆและการใช้งาน

แบตเตอรี่คือชุดของเซลล์อย่างน้อยหนึ่งเซลล์ที่อยู่ภายใต้ปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้างการไหลของอิเล็กตรอนภายในวงจร มีการวิจัยและความก้าวหน้ามากมายที่เกิดขึ้นในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ส่งผลให้เทคโนโลยีล้ำสมัยกำลังได้รับประสบการณ์และใช้กันทั่วโลกในปัจจุบัน แบตเตอรี่เข้ามามีบทบาทเนื่องจากความจำเป็นในการจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้น พลังงานที่ถูกสร้างขึ้นเป็นจำนวนมากสิ่งสำคัญคือต้องกักเก็บพลังงานไว้เพื่อให้สามารถใช้งานได้เมื่อรุ่นลดลงหรือเมื่อจำเป็นต้องจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์แบบสแตนด์อโลนซึ่งไม่สามารถเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟจากแหล่งจ่ายไฟได้ ที่นี่ควรสังเกตว่าเฉพาะ DC เท่านั้นที่สามารถเก็บไว้ในแบตเตอรี่กระแสไฟฟ้า AC ไม่สามารถเก็บไว้ได้

เซลล์แบตเตอรี่มักประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วน

1. ขั้วบวก (ขั้วลบ)
2. แคโทด (ขั้วบวก)
3. อิเล็กโทรไลต์

ขั้วบวกเป็นขั้วลบที่ผลิตอิเล็กตรอนไปยังวงจรภายนอกที่แบตเตอรี่เชื่อมต่ออยู่ เมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่การสร้างอิเล็กตรอนจะเริ่มต้นที่ขั้วบวกซึ่งทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าทั้งสอง จากนั้นอิเล็กตรอนจะพยายามกระจายตัวเองตามธรรมชาติซึ่งจะถูกขัดขวางโดยอิเล็กโทรไลต์ดังนั้นเมื่อเชื่อมต่อวงจรไฟฟ้าจะให้เส้นทางที่ชัดเจนสำหรับอิเล็กตรอนในการเคลื่อนที่จากขั้วบวกไปยังขั้วลบซึ่งจะทำให้วงจรไฟฟ้าที่เชื่อมต่ออยู่ ด้วยการเปลี่ยนการจัดเรียงและวัสดุที่ใช้ในการสร้างแอโนดแคโทดและอิเล็กโทรไลต์เราสามารถบรรลุเคมีของแบตเตอรี่หลายประเภททำให้เราสามารถออกแบบเซลล์แบตเตอรี่ประเภทต่างๆได้ ในบทความนี้จะอธิบายถึงแบตเตอรี่ประเภทต่างๆและการใช้งานมาเริ่มกันเลย

ประเภทของแบตเตอรี่

โดยทั่วไปแบตเตอรี่สามารถแบ่งออกเป็นประเภทและประเภทต่างๆได้ตั้งแต่องค์ประกอบทางเคมีขนาดฟอร์มแฟคเตอร์และกรณีการใช้งาน แต่ภายใต้ทั้งหมดนี้เป็นแบตเตอรี่หลักสองประเภท

1. แบตเตอรี่หลัก
2. แบตเตอรี่สำรอง

มาดูรายละเอียดเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเซลล์ Primacy และเซลล์รอง

1. แบตเตอรี่หลัก

แบตเตอรี่หลักคือแบตเตอรี่ที่ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้เมื่อหมดแล้ว แบตเตอรี่หลักทำจากเซลล์ไฟฟ้าเคมีซึ่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีไม่สามารถย้อนกลับได้

แบตเตอรี่หลักที่มีอยู่ในรูปแบบที่แตกต่างกันตั้งแต่เซลล์เหรียญกับแบตเตอรี่ AA มักใช้ในแอปพลิเคชันแบบสแตนด์อโลนที่การชาร์จไม่สามารถทำได้หรือไม่สามารถทำได้ ตัวอย่างที่ดีคืออุปกรณ์เกรดทหารและอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่ การใช้แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟจะเป็นไปไม่ได้เนื่องจากการชาร์จแบตเตอรี่ใหม่จะเป็นสิ่งสุดท้ายในความคิดของทหาร แบตเตอรี่หลักมักมีพลังงานจำเพาะสูงและระบบที่ใช้เหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ใช้พลังงานต่ำเสมอเพื่อให้แบตเตอรี่ใช้งานได้นานที่สุด

บางคนอื่น ๆตัวอย่างของอุปกรณ์ที่ใช้แบตเตอรี่หลัก ได้แก่; ผู้ผลิต Pace เครื่องมือติดตามสัตว์นาฬิกาข้อมือรีโมทคอนโทรลและของเล่นสำหรับเด็กที่ต้องพูดถึง

ที่นิยมมากที่สุดของแบตเตอรี่หลักคือแบตเตอรี่อัลคาไลน์มีพลังงานจำเพาะสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมประหยัดค่าใช้จ่ายและไม่รั่วไหลแม้จะปล่อยออกมาจนหมด สามารถเก็บไว้ได้หลายปีมีบันทึกความปลอดภัยที่ดีและสามารถนำขึ้นเครื่องบินได้โดยไม่ต้องอยู่ภายใต้การขนส่งของสหประชาชาติและข้อบังคับอื่น ๆ ข้อเสียอย่างเดียวของแบตเตอรี่อัลคาไลน์คือกระแสไฟฟ้าต่ำซึ่ง จำกัด การใช้งานไว้กับอุปกรณ์ที่มีความต้องการกระแสไฟต่ำเช่นรีโมทคอนโทรลไฟฉายและอุปกรณ์ความบันเทิงแบบพกพา

2. แบตเตอรี่สำรอง

แบตเตอรี่สำรองคือแบตเตอรี่ที่มีเซลล์ไฟฟ้าเคมีซึ่งปฏิกิริยาทางเคมีสามารถย้อนกลับได้โดยใช้แรงดันไฟฟ้าบางอย่างกับแบตเตอรี่ในทิศทางที่กลับกัน เรียกอีกอย่างว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้เซลล์รองที่แตกต่างจากเซลล์หลักสามารถชาร์จใหม่ได้หลังจากใช้พลังงานในแบตเตอรี่หมดแล้ว

โดยทั่วไปจะใช้ในแอพพลิเคชั่นที่มีปริมาณน้ำมากและในสถานการณ์อื่น ๆ ซึ่งอาจมีราคาแพงเกินไปหรือไม่สามารถใช้แบตเตอรี่แบบชาร์จครั้งเดียวได้ แบตเตอรี่สำรองความจุขนาดเล็กใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพาเช่นโทรศัพท์มือถืออุปกรณ์และเครื่องใช้ไฟฟ้าอื่น ๆ ในขณะที่แบตเตอรี่สำหรับงานหนักจะใช้ในการขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าที่หลากหลายและการใช้งานที่มีการระบายน้ำสูงอื่น ๆ เช่นการปรับระดับโหลดในการผลิตไฟฟ้า นอกจากนี้ยังใช้เป็นแหล่งพลังงานแบบสแตนด์อโลนควบคู่ไปกับอินเวอร์เตอร์เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้า. แม้ว่าค่าใช้จ่ายเริ่มต้นในการซื้อแบตเตอรี่แบบชาร์จได้จะสูงกว่าแบตเตอรี่หลักอยู่เสมอ แต่ก็คุ้มค่าที่สุดในระยะยาว

แบตเตอรี่สำรองสามารถจำแนกออกเป็นประเภทอื่น ๆ อีกหลายขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางเคมีของพวกเขา สิ่งนี้สำคัญมากเนื่องจากเคมีเป็นตัวกำหนดคุณลักษณะบางอย่างของแบตเตอรี่รวมถึงพลังงานที่เฉพาะเจาะจงอายุการใช้งานวงจรอายุการเก็บรักษาและราคาที่จะกล่าวถึง

ต่อไปนี้เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟประเภทต่างๆที่ใช้กันทั่วไป

1. ลิเธียมไอออน (Li-ion)
2. นิกเกิลแคดเมียม (Ni-Cd)
3. นิกเกิล - เมทัลไฮไดรด์ (Ni-MH)
4. กรดตะกั่ว

1. แบตเตอรี่นิเกิล - แคดเมียม

แบตเตอรี่นิกเกิล - แคดเมียม (แบตเตอรี่ NiCd หรือแบตเตอรี่ NiCad) เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ซึ่งพัฒนาโดยใช้นิกเกิลออกไซด์ไฮดรอกไซด์และแคดเมียมโลหะเป็นอิเล็กโทรด แบตเตอรี่ Ni-Cd มีความสามารถในการรักษาแรงดันไฟฟ้าและการเก็บประจุเมื่อไม่ใช้งาน อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่ NI-Cd ตกเป็นเหยื่อของเอฟเฟกต์“ หน่วยความจำ” ที่น่ากลัวได้อย่างง่ายดายเมื่อมีการชาร์จแบตเตอรี่ที่ชาร์จไว้บางส่วนทำให้ความจุของแบตเตอรี่ในอนาคตลดลง

เมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์แบบชาร์จไฟประเภทอื่นแบตเตอรี่ Ni-Cd ให้วงจรชีวิตและประสิทธิภาพที่ดีที่อุณหภูมิต่ำด้วยความจุที่เหมาะสม แต่ข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดคือความสามารถในการส่งมอบความจุเต็มพิกัดที่อัตราการคายประจุสูง มีจำหน่ายในขนาดที่แตกต่างกันรวมถึงขนาดที่ใช้สำหรับแบตเตอรี่อัลคาไลน์เซลล์ AAA ถึง D. Ni-Cd จะใช้เป็นรายบุคคลหรือประกอบเป็นชุดเซลล์ตั้งแต่สองเซลล์ขึ้นไป แพ็คขนาดเล็กใช้ในอุปกรณ์พกพาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และของเล่นในขณะที่ชุดใหญ่จะพบการใช้งานในแบตเตอรี่สตาร์ทเครื่องบินยานพาหนะไฟฟ้าและแหล่งจ่ายไฟสำรอง

คุณสมบัติบางประการของแบตเตอรี่นิกเกิล - แคดเมียมมีดังต่อไปนี้

• พลังงานจำเพาะ: 40-60W-h / kg
• ความหนาแน่นของพลังงาน: 50-150 Wh / L
• กำลังไฟฟ้าเฉพาะ: 150W / kg
• ประสิทธิภาพการชาร์จ / จำหน่าย: 70-90%
• อัตราการปลดปล่อยตัวเอง: 10% / เดือน
• ความทนทานของวงจร / อายุการใช้งาน: 2,000 คัน

2. แบตเตอรี่นิกเกิล - เมทัลไฮไดรด์

นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (Ni-MH) เป็นโครงสร้างทางเคมีอีกประเภทหนึ่งที่ใช้สำหรับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ปฏิกิริยาทางเคมีที่ขั้วบวกของแบตเตอรี่คล้ายกับของเซลล์นิกเกิล - แคดเมียม (NiCd) โดยแบตเตอรี่ทั้งสองประเภทใช้นิกเกิลออกไซด์ไฮดรอกไซด์ (NiOOH) เหมือนกัน อย่างไรก็ตามขั้วลบในนิเกิล - เมทัลไฮไดรด์ใช้โลหะผสมดูดซับไฮโดรเจนแทนแคดเมียมซึ่งใช้ในแบตเตอรี่ NiCd

แบตเตอรี่ NiMH พบการใช้งานในอุปกรณ์ที่มีท่อระบายน้ำสูงเนื่องจากมีความจุและความหนาแน่นของพลังงานสูง แบตเตอรี่ NiMH สามารถมีความจุได้สองถึงสามเท่าของแบตเตอรี่ NiCd ที่มีขนาดเท่ากันและความหนาแน่นของพลังงานสามารถเข้าใกล้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ แตกต่างจากเคมี NiCd แบตเตอรี่ที่ใช้เคมี NiMH จะไม่ไวต่อเอฟเฟกต์"ความทรงจำ"ที่ NiCads สัมผัส

ด้านล่างนี้เป็นคุณสมบัติบางประการของแบตเตอรี่ที่ขึ้นอยู่กับเคมีของนิเกิล - เมทัลไฮไดรด์

• พลังงานเฉพาะ: 60-120h / kg
• ความหนาแน่นของพลังงาน: 140-300 Wh / L
• กำลังไฟฟ้าเฉพาะ: 250-1000 W / kg
• ประสิทธิภาพการชาร์จ / จำหน่าย: 66% - 92%
• อัตราการปลดปล่อยตัวเอง: 1.3-2.9% / เดือนที่ 20 ^o C
• ความทนทานของวงจร / อายุการใช้งาน: 180-2000

3. แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟที่ได้รับความนิยมมากที่สุดประเภทหนึ่งแบตเตอรี่ลิเธียมมีหลายประเภทแต่ในบรรดาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั้งหมดเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้กันมากที่สุด คุณสามารถพบว่าแบตเตอรี่ลิเธียมเหล่านี้ถูกใช้ในรูปแบบต่างๆที่นิยมใช้กันในรถยนต์ไฟฟ้าและอุปกรณ์พกพาอื่น ๆ หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบตเตอรี่ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าคุณสามารถอ่านบทความนี้เกี่ยวกับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า พบได้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าแบบพกพาต่างๆเช่นโทรศัพท์มือถืออุปกรณ์อัจฉริยะและเครื่องใช้แบตเตอรี่อื่น ๆ ที่ใช้ในบ้าน นอกจากนี้ยังพบการใช้งานในด้านการบินและอวกาศและการทหารเนื่องจากมีน้ำหนักเบา

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ซึ่งไอออนของลิเธียมจากขั้วลบจะย้ายไปยังขั้วบวกระหว่างการคายประจุและย้ายกลับไปที่ขั้วลบเมื่อกำลังชาร์จแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนใช้สารประกอบลิเธียมอิเล็กโทรดเป็นวัสดุอิเล็กโทรดชนิดหนึ่งเมื่อเทียบกับลิเธียมโลหะที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไม่ชาร์จซ้ำได้

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยทั่วไปมีความหนาแน่นของพลังงานสูงผลของหน่วยความจำเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยและการคายประจุเองต่ำเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ประเภทอื่น ๆ เคมีควบคู่ไปกับประสิทธิภาพและต้นทุนแตกต่างกันไปตามกรณีการใช้งานที่แตกต่างกันเช่นแบตเตอรี่ Li-ion ที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพามักใช้ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO ₂) ซึ่งให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงและมีความเสี่ยงด้านความปลอดภัยต่ำเมื่อเกิดความเสียหายในขณะที่ Li-ion แบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าจะปลอดภัยกว่าเนื่องจากมีโอกาสที่จะเกิดเหตุการณ์ไม่คาดฝันที่ลดลงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเปิดเครื่องเครื่องมือไฟฟ้าและอุปกรณ์ทางการแพทย์ แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอัตราส่วนประสิทธิภาพต่อน้ำหนักที่ดีที่สุดโดยแบตเตอรี่ลิเธียมซัลเฟอร์มีอัตราส่วนสูงสุด

คุณลักษณะบางประการของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีดังต่อไปนี้

• พลังงานจำเพาะ: 100: 265W-h / kg
• ความหนาแน่นของพลังงาน: 250: 693 Wh / L
• กำลังไฟฟ้าเฉพาะ: 250: 340 W / kg
• เปอร์เซ็นต์การชาร์จ / การปลดปล่อย: 80-90%
• ความทนทานของวงจร: 400: 1200 รอบ
• แรงดันไฟฟ้าของเซลล์ที่กำหนด: NMC 3.6 / 3.85V

4. แบตเตอรี่ตะกั่วกรด

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นแบตเตอรี่สำรองที่เชื่อถือได้ราคาประหยัดซึ่งใช้ในงานหนัก โดยปกติจะมีขนาดใหญ่มากและเนื่องจากน้ำหนักจึงมักใช้ในแอปพลิเคชั่นที่ไม่สามารถพกพาได้เช่นการจัดเก็บพลังงานแผงโซลาร์เซลล์การจุดระเบิดและไฟของรถพลังงานสำรองและการปรับระดับโหลดในการผลิต / จำหน่ายไฟฟ้า กรดตะกั่วเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟที่เก่าแก่ที่สุดและยังคงมีความเกี่ยวข้องและมีความสำคัญอย่างมากในโลกปัจจุบัน แบตเตอรี่ตะกั่วกรดมีพลังงานต่อปริมาตรและอัตราส่วนพลังงานต่อน้ำหนักต่ำมาก แต่มีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักค่อนข้างใหญ่และส่งผลให้สามารถจ่ายกระแสไฟกระชากได้มากเมื่อจำเป็น คุณลักษณะเหล่านี้ควบคู่ไปกับต้นทุนที่ต่ำทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้น่าสนใจสำหรับการใช้งานในปัจจุบันสูงเช่นการเปิดเครื่องมอเตอร์สตาร์ทรถยนต์และสำหรับการจัดเก็บในแหล่งจ่ายไฟสำรองนอกจากนี้คุณยังสามารถดูบทความเกี่ยวกับการทำงานของแบตเตอรี่กรดตะกั่วหากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดประเภทต่างๆโครงสร้างและการใช้งาน

แบตเตอรี่แต่ละก้อนเหล่านี้มีพื้นที่ที่พอดีที่สุดและรูปภาพด้านล่างคือเพื่อช่วยในการเลือกระหว่างแบตเตอรี่

การเลือกแบตเตอรี่ที่เหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชันของคุณ

ปัญหาหลักอย่างหนึ่งที่ขัดขวางการปฏิวัติของเทคโนโลยีเช่น IoT คือพลังงานอายุการใช้งานแบตเตอรี่ส่งผลต่อการติดตั้งอุปกรณ์ที่ต้องใช้แบตเตอรี่ที่ยาวนานและประสบความสำเร็จแม้ว่าจะมีการนำเทคนิคการจัดการพลังงานหลายอย่างมาใช้เพื่อให้แบตเตอรี่ใช้งานได้นานขึ้น แต่ก็ยังต้องเลือกแบตเตอรี่ที่เข้ากันได้ เพื่อให้บรรลุผลลัพธ์ที่ต้องการ

ด้านล่างนี้เป็นปัจจัยบางประการที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกประเภทแบตเตอรี่ที่เหมาะสมสำหรับโครงการของคุณ

1. ความหนาแน่นของพลังงาน: ความหนาแน่นของพลังงานคือปริมาณพลังงานทั้งหมดที่สามารถจัดเก็บได้ต่อหน่วยมวลหรือปริมาตร สิ่งนี้จะกำหนดระยะเวลาที่อุปกรณ์ของคุณจะอยู่ได้ก่อนที่จะต้องชาร์จใหม่

2. ความหนาแน่นของพลังงาน:อัตราการปลดปล่อยพลังงานสูงสุดต่อหน่วยมวลหรือปริมาตร พลังงานต่ำ: แล็ปท็อป i-pod พลังสูง: เครื่องมือไฟฟ้า

3. ความปลอดภัย: สิ่งสำคัญคือต้องพิจารณาอุณหภูมิที่อุปกรณ์ที่คุณกำลังสร้างจะทำงานได้ ที่อุณหภูมิสูงส่วนประกอบของแบตเตอรี่บางส่วนจะสลายและอาจเกิดปฏิกิริยาคายความร้อนได้ โดยทั่วไปอุณหภูมิที่สูงจะลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่

4. ความทนทานของวงจรชีวิต:ความเสถียรของความหนาแน่นของพลังงานและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ที่มีการหมุนเวียนซ้ำ ๆ (การชาร์จและการคายประจุ) เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่

5. ต้นทุน:ต้นทุนเป็นส่วนสำคัญของการตัดสินใจทางวิศวกรรมที่คุณจะทำ เป็นสิ่งสำคัญที่ค่าใช้จ่ายในการเลือกแบตเตอรี่ของคุณจะสอดคล้องกับประสิทธิภาพและจะไม่ทำให้ต้นทุนโดยรวมของโครงการเพิ่มขึ้นอย่างผิดปกติ