แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำงานอย่างไร

Nov 14 2006

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นที่นิยมอย่างเหลือเชื่อในทุกวันนี้ คุณสามารถค้นหาได้ในแล็ปท็อป พีดีเอ โทรศัพท์มือถือ และไอพอด หาคำตอบว่าทำไม

เทคโนโลยีของแบตเตอรี่ลิเธียมได้รับการปรับปรุงอย่างช้าๆ เพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ที่มีเสถียรภาพมากขึ้น เรียนรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยี PHEV และแบตเตอรี่ลิเธียม

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นที่นิยมอย่างเหลือเชื่อในทุกวันนี้ คุณสามารถค้นหาได้ในแล็ปท็อปพีดีเอโทรศัพท์มือถือและไอพอด สิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องธรรมดามากเพราะเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟที่มีพลังมากที่สุดบางรุ่น

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังได้รับในข่าวเมื่อเร็ว ๆ นี้ นั่นเป็นเพราะว่าแบตเตอรีเหล่านี้สามารถลุกเป็นไฟได้เป็นครั้งคราว ไม่ใช่เรื่องธรรมดา — แค่สองหรือสามก้อนแบตเตอรี่ต่อล้านมีปัญหา — แต่เมื่อมันเกิดขึ้น มันสุดขั้ว ในบางสถานการณ์ อัตราความล้มเหลวอาจเพิ่มขึ้น และเมื่อเป็นเช่นนั้น คุณจะต้องเรียกคืนแบตเตอรี่ ทั่วโลก ซึ่งอาจทำให้ผู้ผลิตต้องเสียค่าใช้จ่ายหลายล้านดอลลาร์

คำถามคือ อะไรทำให้แบตเตอรี่เหล่านี้มีพลังและเป็นที่นิยมมาก พวกมันลุกเป็นไฟได้อย่างไร? และมีวิธีใดบ้างที่คุณสามารถทำได้เพื่อป้องกันปัญหาหรือช่วยให้แบตเตอรี่ใช้งานได้นานขึ้น ในบทความนี้ เราจะตอบคำถามเหล่านี้และอื่นๆ อีกมากมาย

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นที่นิยมเนื่องจากมีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการเหนือเทคโนโลยีคู่แข่ง:

โดยทั่วไปแล้วจะเบากว่าแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ประเภทอื่นที่มีขนาดเท่ากันมาก อิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทำจากลิเธียมและคาร์บอน น้ำหนัก เบา ลิเธียมยังเป็นองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยาสูง ซึ่งหมายความว่าสามารถเก็บพลังงานจำนวนมากไว้ในพันธะอะตอมได้ ซึ่งแปลเป็นความหนาแน่นพลังงาน สูงมาก สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน นี่คือวิธีการรับมุมมองเกี่ยวกับความหนาแน่นของพลังงาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปสามารถเก็บไฟฟ้าได้ 150 วัตต์ต่อชั่วโมงในแบตเตอรี่ 1 กิโลกรัม ชุดแบตเตอรี่ NiMH (นิกเกิล-เมทัล ไฮไดรด์)สามารถจัดเก็บได้ 100 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม แม้ว่า 60 ถึง 70 วัตต์-ชั่วโมงอาจเป็นเรื่องปกติ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดสามารถจัดเก็บได้เพียง 25 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม การใช้เทคโนโลยีตะกั่วกรดใช้เวลา 6 กิโลกรัมในการจัดเก็บพลังงานเท่าๆ กับที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 1 กิโลกรัมสามารถจัดการได้ นั่นเป็นความแตกต่างอย่างมาก [แหล่งที่มา: Everything2.com ]
พวกเขาถือค่าใช้จ่ายของพวกเขา ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสูญเสียประจุเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ต่อเดือน เทียบกับการสูญเสีย 20 เปอร์เซ็นต์ต่อเดือนสำหรับแบตเตอรี่ NiMH
ไม่มีผลหน่วยความจำซึ่งหมายความว่าคุณไม่จำเป็นต้องคายประจุจนหมดก่อนที่จะชาร์จใหม่ เช่นเดียวกับสารเคมีในแบตเตอรี่ อื่น ๆ
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถรองรับรอบการชาร์จ/คายประจุได้หลายร้อยรอบ

ไม่ได้หมายความว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่มีที่ติ พวกเขามีข้อเสียเล็กน้อยเช่นกัน:

พวกเขาเริ่มเสื่อมโทรมทันทีที่ออกจากโรงงาน พวกเขาจะมีอายุเพียงสองหรือสามปีนับจากวันที่ผลิต ไม่ว่าคุณจะใช้หรือไม่
มีความไวต่ออุณหภูมิสูงมาก ความร้อนทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติมาก
หากคุณคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจนหมด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกทำลาย
ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนต้องมีคอมพิวเตอร์ออนบอร์ดเพื่อจัดการแบตเตอรี่ ทำให้มีราคาแพงกว่าที่เป็นอยู่แล้ว
มีโอกาสเล็กน้อยที่หากชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่ทำงาน จะลุกเป็นไฟได้

คุณลักษณะหลายอย่างเหล่านี้สามารถเข้าใจได้โดยดูที่เคมีภายในเซลล์ลิเธียมไอออน เราจะดูสิ่งนี้ต่อไป

ภายในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและเซลล์

ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีรูปร่างและขนาดต่างกันไป แต่ภายในทั้งหมดจะมีลักษณะเหมือนกัน หากคุณต้องแยกชุดแบตเตอรี่แล็ปท็อป (สิ่งที่เราไม่แนะนำเนื่องจากอาจทำให้แบตเตอรี่ลัดวงจรและไฟไหม้ได้) คุณจะพบสิ่งต่อไปนี้:

เซลล์ ลิเธียมไอออนสามารถเป็นแบตเตอรี่ทรงกระบอกที่เกือบจะเหมือนกับเซลล์ AA หรืออาจเป็นปริซึมซึ่งหมายความว่าเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยม คอมพิวเตอร์ซึ่งประกอบด้วย:
เซ็นเซอร์อุณหภูมิอย่างน้อยหนึ่ง ตัว เพื่อตรวจสอบอุณหภูมิของแบตเตอรี่
ตัวแปลงแรงดันไฟฟ้าและวงจรควบคุมเพื่อรักษาระดับแรงดันและกระแส ไฟให้ปลอดภัย
ขั้วต่อโน้ตบุ๊กแบบหุ้มฉนวนที่ช่วยให้กระแสไฟและข้อมูลไหลเข้าและออกจากชุดแบตเตอรี่
ก๊อกแรงดัน ซึ่ง ตรวจสอบความจุพลังงานของเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่
ตัวตรวจสอบสถานะการชาร์จแบตเตอรี่ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์ ขนาดเล็ก ที่จัดการกระบวนการชาร์จทั้งหมดเพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่จะชาร์จอย่างรวดเร็วและเต็มที่ที่สุด

หากก้อนแบตเตอรี่ร้อนเกินไประหว่างการชาร์จหรือใช้งาน คอมพิวเตอร์จะปิดกระแสไฟเพื่อพยายามทำให้สิ่งต่างๆ เย็นลง หากคุณทิ้งแล็ปท็อปไว้ในรถที่ร้อนจัดและพยายามใช้แล็ปท็อป คอมพิวเตอร์เครื่องนี้อาจป้องกันไม่ให้คุณเปิดเครื่องจนกว่าอุปกรณ์จะเย็นลง หากเซลล์หมดประจุหมด ก้อนแบตเตอรี่จะปิดตัวลงเนื่องจากเซลล์ถูกทำลาย นอกจากนี้ยังอาจติดตามจำนวนรอบการชาร์จ/การคายประจุ และส่งข้อมูลเพื่อให้ตัววัดแบตเตอรี่ของแล็ปท็อปสามารถบอกคุณได้ว่าแบตเตอรี่เหลืออยู่เท่าใด

เป็นคอมพิวเตอร์เครื่องเล็กๆ ที่ค่อนข้างซับซ้อน และใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ การดึงพลังงานนี้เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสูญเสียพลังงาน 5 เปอร์เซ็นต์ทุกเดือนเมื่อไม่ได้ใช้งาน

เซลล์ลิเธียมไอออน

เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ คุณจะมีเคสด้านนอกที่ทำด้วยโลหะ การใช้โลหะมีความสำคัญอย่างยิ่งในที่นี้เนื่องจากแบตเตอรี่มีแรงดัน กล่องโลหะนี้มี รูระบายอากาศที่ไวต่อแรงกดบางชนิด หากแบตเตอรี่ร้อนจัดจนเสี่ยงต่อการระเบิดจากแรงดันเกิน ช่องระบายอากาศนี้จะปล่อยแรงดันส่วนเกินออกไป หลังจากนั้นแบตเตอรี่อาจจะไร้ประโยชน์ ดังนั้นนี่คือสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยง ช่องระบายอากาศอยู่ที่นั่นอย่างเคร่งครัดเพื่อเป็นมาตรการด้านความปลอดภัย สวิตช์ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิบวก (PTC)ก็เช่นกัน ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ควรป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ร้อนเกินไป

กล่องโลหะนี้มีเกลียวยาวซึ่งประกอบด้วยแผ่นบางสามแผ่นที่กดเข้าด้วยกัน:

อิเล็กโทร ดบวก
อิเล็กโทร ดลบ
ตัวคั่น

ภายในเคส แผ่นเหล่านี้จะจุ่มลงในตัวทำละลายอินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์ อีเธอร์เป็นตัวทำละลายทั่วไปชนิดหนึ่ง

ตัวคั่นเป็นแผ่นพลาสติกไมโครปรุบางมาก ตามชื่อที่สื่อถึงจะแยกขั้วบวกและขั้วลบออกจากกันโดยปล่อยให้ไอออนผ่านได้

อิเล็กโทรดบวกทำจากลิเธี ยมโคบอลต์ออกไซด์หรือ LiCoO ₂อิเล็กโทรดลบทำจากคาร์บอน เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ ไอออนของลิเธียมจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์จากอิเล็กโทรดบวกไปยังอิเล็กโทรดลบและยึดติดกับคาร์บอน ในระหว่างการปลดปล่อย ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนกลับไปยัง LiCoO ₂จากคาร์บอน

การเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออนเหล่านี้เกิดขึ้นที่แรงดันไฟฟ้าค่อนข้างสูง ดังนั้นแต่ละเซลล์จึงผลิตไฟฟ้าได้ 3.7 โวลต์ ซึ่งสูงกว่า 1.5 โวลต์ทั่วไปของเซลล์อัลคาไลน์ AA ปกติที่คุณซื้อที่ซูเปอร์มาร์เก็ต และช่วยทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นในอุปกรณ์ขนาดเล็ก เช่น โทรศัพท์มือถือ ดูวิธีการทำงานของแบตเตอรี่สำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับเคมีของแบตเตอรี่แบบต่างๆ

เราจะมาดูวิธียืดอายุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกัน และสำรวจว่าทำไมแบตเตอรี่ถึงระเบิดได้ในครั้งต่อไป

อายุการใช้งานและความตายของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

รายงานข่าวหลายฉบับในช่วง 6 เดือนที่ผ่านมากล่าวถึงแล็ปท็อปที่มีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ติดไฟ

ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีราคาแพง ดังนั้นหากคุณต้องการให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น ต่อไปนี้คือสิ่งที่ควรคำนึงถึง:

เคมีลิเธียมไอออนชอบคายประจุบางส่วนถึง คายประจุ ลึกดังนั้นจึงควรหลีกเลี่ยงการทำให้แบตเตอรี่เหลือศูนย์จนสุด เนื่องจากเคมีลิเธียมไอออนไม่มี "หน่วยความจำ" คุณจึงไม่ทำอันตรายต่อก้อนแบตเตอรี่ด้วยการคายประจุบางส่วน หากแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ลิเธียมไอออนลดลงต่ำกว่าระดับหนึ่ง แสดงว่าเสียหาย
อายุแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน มีอายุการใช้งานเพียงสองถึงสามปีแม้ว่าจะนั่งบนหิ้งที่ไม่ได้ใช้ก็ตาม ดังนั้นอย่า "หลีกเลี่ยงการใช้" แบตเตอรี่โดยคิดว่าแบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานห้าปี มันจะไม่ นอกจากนี้ หากคุณจะซื้อก้อนแบตเตอรี่ใหม่ คุณต้องแน่ใจว่าแบตเตอรี่ก้อนนั้นเป็นของใหม่จริงๆ หากวางอยู่บนหิ้งในร้านเป็นเวลาหนึ่งปี จะอยู่ได้ไม่นานนัก วันที่ผลิตมีความสำคัญ
หลีกเลี่ยงความร้อนซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมคุณภาพ

แบตเตอรี่ระเบิด

ตอนนี้เรารู้วิธีรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้ทำงานได้นานขึ้นแล้ว มาดูสาเหตุที่ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนระเบิดได้

หากแบตเตอรี่ร้อนพอที่จะจุดอิเล็กโทรไลต์ คุณจะเกิดไฟไหม้ มีคลิปวิดีโอและภาพถ่ายบนเว็บที่แสดงให้เห็นว่าไฟเหล่านี้ร้ายแรงเพียงใด บทความCBC เรื่อง "Summer of the Exploding Laptop" รวบรวมเหตุการณ์เหล่านี้ไว้หลายประการ

เมื่อเกิดเพลิงไหม้เช่นนี้ มักเกิดจากการลัดวงจรภายในของแบตเตอรี่ จำได้จากส่วนก่อนหน้านี้ว่าเซลล์ลิเธียมไอออนประกอบด้วยแผ่นคั่นที่แยกขั้วไฟฟ้าบวกและขั้วลบออกจากกัน หากแผ่นนั้นถูกเจาะและขั้วไฟฟ้าสัมผัสกัน แบตเตอรี่จะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว คุณอาจเคยประสบกับความร้อนที่เกิดจากแบตเตอรี่ หากคุณเคยใส่แบตเตอรี่ขนาด 9 โวลต์ปกติไว้ในกระเป๋าเสื้อ หากเหรียญขาดตรงขั้วทั้งสอง แสดงว่าแบตเตอรี่ร้อนมาก

ในความล้มเหลวของตัวคั่น การลัดวงจรแบบเดียวกันนั้นเกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เนื่องจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีพลังมาก จึงร้อนจัด ความร้อนทำให้แบตเตอรี่ระบายตัวทำละลายอินทรีย์ที่ใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์ และความร้อน (หรือประกายไฟในบริเวณใกล้เคียง) ก็สามารถจุดไฟได้ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นภายในเซลล์หนึ่ง ความร้อนของไฟจะลดหลั่นไปยังอีกเซลล์หนึ่ง และทั้งแพ็คก็ลุกเป็นไฟ

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตว่าไฟนั้นหายากมาก ถึงกระนั้น ก็ต้องใช้ไฟสองสามจุดและการรายงานข่าวเพียงเล็กน้อยเพื่อกระตุ้นให้มีการเรียกคืน

หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและหัวข้อที่เกี่ยวข้อง โปรดดูลิงก์ในหน้าถัดไป

เผยแพร่ครั้งแรก: 14 พ.ย. 2549

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีอายุการใช้งานนานเท่าใด

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถรองรับรอบการชาร์จ/คายประจุได้หลายร้อยรอบ หรือระหว่างสองถึงสามปี

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร?

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ชนิดหนึ่งซึ่งมักใช้ในแล็ปท็อปและโทรศัพท์มือถือ ในการสร้างพลังงาน ลิเธียมไอออนจะเคลื่อนจากอิเล็กโทรดลบผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังอิเล็กโทรดบวก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนราคาเท่าไหร่?

จากข้อมูลของ BloombergNEFค่าใช้จ่ายเฉลี่ยของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนลดลงเหลือ 137 เหรียญสหรัฐต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงในปี 2020 สำหรับสมาร์ทโฟน แบตเตอรี่มีราคาระหว่าง 2 ถึง 4 เหรียญสหรัฐฯ แต่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถอยู่ในช่วงระหว่าง 7,000 ถึง 20,000 ดอลลาร์ อย่างไรก็ตาม ราคาของแบตเตอรี่เหล่านี้ได้ลดลงประมาณ 88 เปอร์เซ็นต์ในทศวรรษที่ผ่านมาและมีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่อง

ข้อเสียของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร?

แบตเตอรีเหล่านี้สามารถลุกเป็นไฟได้เป็นครั้งคราว ไม่ใช่เรื่องปกติ — เพียงสองถึงสามชุดต่อล้านมีปัญหานี้ พวกมันไวต่ออุณหภูมิที่สูงมากๆ ซึ่งอาจทำให้สลายตัวได้อย่างรวดเร็ว พวกเขายังเริ่มเสื่อมโทรมทันทีที่ออกจากโรงงานไม่ว่าจะมีการใช้งานหรือไม่ก็ตาม

มีแบตเตอรี่ที่ดีกว่าลิเธียมไอออนหรือไม่?

ในเวลานี้ ไม่มีอะไรดีไปกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีเซลล์อื่นๆ มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่า รอบแบตเตอรี่มากขึ้น อัตราการชาร์จเร็วขึ้น และปลอดภัยกว่าในการใช้งาน