ดร.อุกฤษฎ์ สหพัฒน์สมบัติ, ดร.ธัญญา แพรวพิพัฒน์, ดร.จิราวรรณ มงคลธนทรรศ, ดร.เปรียว เอี่ยมละมัย,
ดร.ณัฐนัย คุณานุสนธิ์ และ ดร.พิมพา ลิ้มทองกุล
ทีมวิจัยเทคโนโลยีระบบกักเก็บพลังงาน กลุ่มวิจัยนวัตกรรมพลังงาน
ศูนย์เทคโนโลยีพลังงานแห่งชาติ
ภาพรวม
ถาม : แบตเตอรี่ที่ใช้งานในปัจจุบันมีกี่ประเภท และการใช้งานต่างกันเช่นใดบ้าง?
ตอบ:
แบตเตอรี่แบ่งเป็น 2 ประเภทหลัก คือ
1) แบตเตอรี่แบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง หรือ แบตเตอรี่ชนิดปฐมภูมิ (primary batteries)
2) แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใหม่ได้ หรือ แบตเตอรี่ชนิดทุติยภูมิ (rechargeable batteries)
แบตเตอรี่แบบใช้ครั้งเดียวทิ้ง เมื่อปฏิกิริยาเคมีเกิดไปบ้างแล้ว (ปฏิกิริยารีดักชันที่ขั้วบวกและปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วลบ) จะไม่สามารถเกิดย้อนกลับได้จึงใช้ได้เพียงครั้งเดียว ส่วนแบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟใหม่ได้ ปฏิกิริยาเคมีดังกล่าวจะเกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่จ่ายกระแสไฟฟ้า (ดิสชาร์จแบตเตอรี่) และสามารถย้อนกลับได้เมื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าให้แบตเตอรี่ (ชาร์จแบตเตอรี่) แบตเตอรี่ชนิดนี้จึงสามารถใช้งานและชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง
ถาม : แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใหม่ได้ ที่ใช้งานในปัจจุบันมีกี่ประเภท และการใช้งานต่างกันเช่นใดบ้าง?
ตอบ:
แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใหม่ได้มีหลายสิบชนิด มีทั้งขนาดเล็กจิ๋ว บางเฉียบเท่าเส้นผม หรือใหญ่กว่ารถบรรทุก แต่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในระดับการค้านั้นมีอยู่ไม่เพียงไม่กี่ชนิดเท่านั้น เช่น แบตเตอรี่กรดตะกั่ว แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน แบตเตอรี่โซเดียมซัลเฟอร์ และแบตเตอรี่ที่มีการไหลของส่วนเก็บพลังงาน ดังแสดงในตารางที่ 1
ตารางที่ 1 แบตเตอรี่ที่ใช้งานในปัจจุบัน
ถาม : แนวทางของการพัฒนาแบตเตอรี่แต่ละประเภทในอนาคตจะเป็นอย่างไร ?
ตอบ:
โดยทั่วไปแล้ว แนวทางในการพัฒนาแบตเตอรี่ คือ ต้องการแบตเตอรี่ที่มีพลังงานไฟฟ้าต่อน้ำหนักหรือปริมาตรสูงขึ้น กำลังไฟฟ้าต่อน้ำหนักหรือปริมาตรสูงขึ้น ราคาต่ำลง และมีความปลอดภัยสูงมากขึ้น จากกราฟในรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่าทิศทางแนวโน้มของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ได้มีการพัฒนาไปในทางที่มีพลังงานไฟฟ้าหรือกำลังไฟฟ้ามากขึ้น ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเทียม-ซัลเฟอร์ แบตเตอรี่ลิเทียม-แอร์ แบตเตอรี่สังกะสี แบตเตอรี่อะลูมิเนียม และแบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนแบบของแข็ง [1]
นอกจากนี้ แนวทางพัฒนายังรวมถึงการปรับปรุงวัสดุ เช่น วัสดุขั้วบวก วัสดุขั้วลบ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้งานในปัจจุบันมีพลังงานไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าที่สูงขึ้น พร้อมทั้งสามารถใช้งานที่ช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้นได้อีกด้วย
รูปที่ 1 พลังงานไฟฟ้าของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้งานในปัจจุบันและแบตเตอรี่ที่อยู่ในช่วงพัฒนา
การใช้งาน
ถาม : การใช้มือถือในขณะที่กำลังชาร์จแบตเตอรี่เหมาะสมหรือไม่ เพราะเหตุใด?
ตอบ:
การใช้มือถือในขณะที่กำลังชาร์จสามารถทำได้แต่ไม่เหมาะสมนัก เนื่องจากเหตุผลเรื่องความปลอดภัย [2] การใช้มือถือขณะชาร์จจากไฟบ้านหรือไฟ 220 โวลต์อาจเกิดอันตรายจากไฟฟ้าดูดหรือรั่วได้ อย่างไรก็ตามอันตรายนี้ไม่ได้เกิดจากมือถือหรือแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวเท่านั้น อุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้านก็มีโอกาสเกิดไฟรั่วได้ทั้งนั้นขึ้นกับคุณภาพของอุปกรณ์นั้นๆ และมาตรการป้องกัน
สาเหตุที่ทำให้ผู้ใช้มือถือขณะชาร์จถูกไฟฟ้าดูดอาจเกิดได้จาก
- หัวชาร์จชำรุดหรือไม่ได้คุณภาพ หัวชาร์จ (adapter) มีหน้าที่แปลงไฟฟ้ากระแสสลับ 220 โวลต์ให้เป็นไฟฟ้ากระแสตรงระดับแรงดันไม่เกิน 5 โวลต์ อีกทั้งยังกันไฟฟ้า 220 โวลต์ไม่ให้ส่งถึงผู้ใช้งานได้ แต่ถ้าหัวชาร์จชำรุดหรือไม่ได้คุณภาพทำให้ไฟฟ้ารั่ว และเมื่อผู้ใช้ไปสัมผัสอาจเกิดอันตรายได้
- สายชาร์จไม่ได้คุณภาพ เมื่อใช้งานไประยะหนึ่งและเกิดการชำรุดฉีกขาดอาจเสี่ยงต่อการลุกไหม้ หรือเมื่อผู้ใช้มือถือสัมผัสสายชาร์จขณะใช้งานก็อาจเกิดอันตรายจากไฟรั่วได้
ดังนั้นการใช้มือถือขณะชาร์จอาจไม่ปลอดภัย จึงควรหลีกเลี่ยง หากจำเป็นต้องชาร์จขณะใช้งานอาจพิจารณาใช้แบตเตอรี่สำรอง (power bank) ชาร์จแบตเตอรี่มือถือแทน
นอกจากนี้ การใช้มือถือในขณะที่กำลังชาร์จแบตเตอรี่อาจมีผลต่ออายุการใช้งานได้จากความร้อนที่เกิดขึ้นด้วย เนื่องจากเมื่อชาร์จแบตเตอรี่จะมีความร้อนเกิดขึ้น และเมื่อใช้งานขณะชาร์จก็จะทำให้เกิดความร้อนมากกว่าปกติ ซึ่งความร้อนที่เกิดขึ้นจะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้น ดังนั้นหากต้องการถนอมแบตเตอรี่จึงไม่ควรใช้แบตเตอรี่ขณะชาร์จไฟ
ถาม : การชาร์จแบตเตอรี่บ่อยๆ หรือชาร์จเมื่อแบตฯหมด หรือชาร์จข้ามคืน ส่งผลอย่างไรต่ออายุการใช้งาน และควรชาร์จอย่างไรจึงเป็นการถนอมแบตเตอรี่?
ตอบ:
หากเป็นแบตเตอรี่กรดตะกั่วควรดูแลให้แบตเตอรี่อยู่ในสถานะที่เต็มอยู่เสมอ
สำหรับแบตเตอรี่ประเภทนิกเกิลแคดเมียม หรือนิกเกิลเมทัลไฮไดร์ดไม่ควรชาร์จแบตฯ บ่อยนัก ควรใช้ให้ใกล้หมดแล้วค่อยชาร์จ แต่ควรดูแลแบตเตอรี่ให้ชาร์จเต็มอยู่สม่ำเสมอ
สำหรับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน อุปกรณ์สำหรับชาร์จแบตฯ จะชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้าที่กำหนดด้วยค่าคงที่ และในบางอุปกรณ์ชาร์จเมื่อแบตเตอรี่ใกล้เต็ม (>80-90%) อุปกรณ์ควบคุมจะลดกระแสไฟฟ้าด้วยการชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่จนแบตเตอรี่เต็ม ในทางทฤษฎีช่วงการทำงานที่เหมาะสมที่ยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนคือ 20-80% ดังนั้น หากต้องการยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสามารถปฏิบัติดังนี้
- ไม่ควรใช้แบตเตอรี่จนหมด เพราะจะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วขึ้น
- การชาร์จแบตเตอรี่ทิ้งไว้ข้ามคืนจะมีผลต่ออายุการใช้งานบ้างเล็กน้อยถึงน้อยมาก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุปกรณ์และระบบในการชาร์จ
- การชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มแล้วทิ้งไว้เป็นระยะเวลานานโดยไม่ใช้งานจะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วขึ้น ดังนั้น ถ้าไม่ได้ใช้งานเป็นระยะเวลานานควรชาร์จแบตเตอรี่ไว้เพียงครึ่งเดียว แต่ถ้าใช้งานเป็นประจำสามารถชาร์จแบตฯ ให้เต็มได้ แต่ควรใช้และชาร์จแบตเตอรี่สลับไปมาอย่างเหมาะสม โดยไม่จำเป็นต้องให้แบตเตอรี่อยู่ในสถานะที่เต็มอยู่ตลอดเวลา
- ไม่ควรชาร์จแบตฯ และใช้งานพร้อมกัน
ปัจจัยที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่คือ อุณหภูมิ กระแส และแรงดันในการชาร์จ ดังนั้นการชาร์จแบตเตอรี่ให้ปลอดภัย และถนอมแบตเตอรี่มีข้อแนะนำดังนี้
- เลือกใช้อุปกรณ์ชาร์จให้เหมาะสมกับแบตเตอรี่ โดยเลือกใช้อุปกรณ์ชาร์จที่ได้รับการรับรองว่าใช้กับอุปกรณ์นั้นๆ โดยเฉพาะ
- ไม่ควรใช้อุปกรณ์ที่ห่อหุ้ม (เช่น เคสมือถือ) ที่ไม่สามารถระบายความร้อนได้ หรือหากจะใช้ควรเลือกใช้อุปกรณ์ห่อหุ้มที่สามารถระบายความร้อนได้บ้าง และไม่ควรวางอุปกรณ์พร้อมแบตเตอรี่ที่กำลังชาร์จในพื้นที่ปิดหรือไม่มีการระบายความร้อน เช่น ใต้หมอน ใต้ผ้าห่ม ฯลฯ
- ไม่ชาร์จแบตเตอรี่ในสถานที่ที่มีความร้อนสูง เช่น ชาร์จทิ้งไว้กลางแดด
ถาม : สัญญาณที่บ่งชี้ว่าแบตเตอรี่เริ่มเสื่อมมีอะไรบ้าง?
ตอบ:
- จำนวนชั่วโมงในการใช้งานลดลง: การเสื่อมของแบตเตอรี่หมายถึงความจุของแบตเตอรี่ลดลง พลังงานที่สามารถใช้งานได้ต่อการชาร์จแบตเตอรี่เต็มน้อยลง สิ่งที่สังเกตได้คือ เมื่อใช้อุปกรณ์ที่ใช้ไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มไประยะหนึ่งจะสามารถใช้งานในลักษณะเดิมได้เป็นระยะเวลาที่น้อยลง
- ความร้อนของแบตเตอรี่สูงขึ้น: เมื่อแบตเตอรี่เสื่อมความต้านทานภายในตัวแบตเตอรี่จะสูงขึ้น นั่นคือความร้อนจะเกิดขึ้นมากกว่าแบตเตอรี่ใหม่ที่กระแสเท่ากัน ดังนั้นเมื่อแบตเตอรี่เริ่มเสื่อมผู้ใช้จะรู้สึกว่าเกิดความร้อนขณะใช้มือถือ
- แบตเตอรี่มีลักษณะผิดแปลกไปจากเดิม: เมื่อสารเคมีหรือวัสดุภายในแบตเตอรี่เสื่อม อาจทำให้เกิดแก๊สสะสมภายในแบตเตอรี่ ส่งผลให้แบตเตอรี่เกิดอาการบวมได้ ซึ่งหากบวมมากก็อาจทำให้เคสเกิดรอยรั่วและทำให้อิเล็กโทรไลต์รั่วซึมออกมาภายนอก
ถาม : แบตเตอรี่เน่าเกิดจากอะไร ป้องกันได้อย่างไร ของเหลวหนืดๆ เยิ้มๆ เป็นอันตรายหรือไม่ โดยเฉพาะเมื่อสัมผัสกับผิวหนังหรือแผล?
ตอบ:
แบตเตอรี่เสื่อมเกิดจากการเสื่อมสภาพของสารเคมีภายในเซลล์แบตเตอรี่ส่งผลให้ความจุของแบตเตอรี่ลดลง ดังนั้นพลังงานที่ใช้งานได้ต่อการชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มจะน้อยลง สาเหตุของการเสื่อมอาจเกิดจาก
- สารเคมีหรือวัสดุภายในเซลล์แบตเตอรี่หมดอายุ
- การใช้งานหรือการจัดเก็บไม่เหมาะสมทำให้เกิดความร้อน ซึ่งความร้อนเป็นปัจจัยสำคัญที่เร่งให้แบตฯ เสื่อมสภาพ
- การทำงานผิดปกติอันเนื่องมาจาก Under charging หรือ Over charging
วิธีการป้องกันคือ หมั่นสำรวจ ตรวจเช็ค ระบบอัดไฟ และสภาพภายนอก รอยรั่วซึมของเซลล์แบตเตอรี่ และไม่ควรเก็บหรือใช้งานเซลล์แบตเตอรี่ที่สภาวะอุณหภูมิสูง ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลง [3]
ส่วนของเหลวหนืดเยิ้ม ที่พบเห็นบ่อยจากถ่านไฟฉายธรรมดา (carbon-zinc cell) และถ่านแอลคาไลน์ (alkaline cell) คือ สารอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งถ่านไฟฉายธรรมดาจะใช้สารละลายแอมโมเนียคลอไรด์ (ammonium chloride, NH4Cl) และ ซิงค์คลอไรด์ (zinc chloride, ZnCl2) เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ เมื่อสารแมงกานีสไดออกไซด์ถูกทำปฏิกิริยาจนหมด (ถ่านไฟฉายหมดไฟ) สารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์เป็นกรดยังสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีกับกระป๋องสังกะสีต่อได้ ทำให้เกิดการกัดกร่อนจนสารเคมีภายในรั่วไหลออกมา
ส่วนถ่านแอลคาไลน์จะใช้สารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์เป็นเบส ซึ่งสามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีกับกระป๋องสังกะสีได้เช่นเดียวกันเมื่อถ่านหมดอายุการใช้งานแล้ว นอกจากสารละลายที่สามารถรั่วไหลออกมาได้แล้ว ยังพบโลหะหนักปะปนด้วย ดังแสดงในรูปที่ 2
กรณีแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์แบบของเหลวเกิดเสื่อมสภาพเนื่องมาจากความชื้น ความร้อน และเกิดรั่วซึมออกมา สารอิเล็กโทรไลต์ของแบตชนิดนี้ประกอบด้วยเกลือลิเทียมและตัวทำละลายอินทรีย์จำพวกคาร์บอเนต เมื่อสารอิเล็กโทรไลต์สัมผัสกับน้ำหรือความชื้นภายนอกเซลล์เกิดเป็นกรดไฮโดรฟลูออริก (hydrofluoric acid, HF) ที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง มีความเป็นพิษและระคายเคืองสูง กรดดังกล่าวสามารถทำลายเนื้อเยื่อและรบกวนการทำงานของระบบประสาท ทำให้ผู้ที่สัมผัสกรดไม่รู้สึกเจ็บในตอนแรก แต่ส่งผลในระยะยาวทำให้กระดูกพรุนและข้อเสื่อม นับว่าเป็นกรดที่เป็นอันตรายต่อร่างกายอย่างยิ่ง
รูปที่ 2 อันตรายของสารเคมีเมื่อได้รับเข้าสู่ร่างกาย
ถาม : การนำแบตเตอรี่ไปใส่ช่องแช่แข็งในตู้เย็นเป็นการช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ได้หรือไม่ อย่างไร?
ตอบ:
การนำแบตเตอรี่ไปใส่ช่องแช่แข็งในตู้เย็นเพื่อยืดอายุการใช้งาน เป็นความเชื่อที่ผิด! และไม่ควรทำตาม เนื่องจากช่องแช่แข็งเย็นจัดเกินไป แม้กระทั่งตู้เย็นในช่องธรรมดาก็มีความชื้นสูง ซึ่งอาจทำให้ขั้วต่างๆ เสื่อมสภาพได้ ที่ถูกต้องคือควรเก็บรักษาแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิไม่สูงหรือต่ำจนเกินไป ทั้งนี้เมื่อแบตเตอรี่บวมหรือเสื่อมสภาพไม่ควรใช้งานต่อ ควรเปลี่ยนไปใช้แบตเตอรี่ก้อนใหม่จะเป็นวิธีที่ดีและปลอดภัยที่สุด
ถาม : Memory effect ในแบตเตอรี่คืออะไร พบได้กับแบตเตอรี่ชนิดใด และมีผลต่อการถนอมแบตเตอรี่อย่างไร?
ตอบ:
สาเหตุที่แบตเตอรี่มี memory effect หรือมี “ความจำ” ที่ไม่พึงประสงค์เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของขั้วบวกและขั้วลบในส่วนที่ไม่ถูกใช้งานเป็นระยะเวลานาน ซึ่งจะพบในแบตเตอรี่ตระกูลนิกเกิล เช่น นิกเกิลแคดเมียม หรือนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์เท่านั้น โดยปกติแล้วขนาดของผลึกของสารประกอบนิกเกิลที่ทำหน้าเก็บประจุไฟฟ้าที่ขั้วจะมีขนาดเล็กทำให้มีพื้นผิวโดยรวมที่จะทำปฏิกิริยาให้เกิดไฟฟ้านั้นมาก การที่ส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่ไม่ได้ถูกใช้งานจะเกิดการเพิ่มขนาดของผลึกส่งผลให้พื้นผิวโดยรวมของขั้วลดลง เกิดความต้านทานทางไฟฟ้าสูงขึ้นทำให้การเกิดปฏิกิริยายากขึ้น ส่งผลให้เกิดการเสื่อมสมรรถนะของแบตเตอรี่ส่วนนั้นในที่สุด
การป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่เกิด Memory Effect คือ ไม่ควรใช้แบตเตอรี่ตระกูลนิกเกิลไปชาร์จไฟไป ควรใช้แบตเตอรี่จนหมด หากทำเช่นนี้ไม่ได้ทุกครั้งก็ให้ใช้แบตเตอรี่จนหมดอย่างน้อยเดือนละครั้ง เพื่อให้ขนาดของผลึกของสารประกอบนิกเกิลในขั้วบวกคงสภาพที่ใกล้เคียงเดิม ส่วนวิธีแก้ไขที่นิยมคือ อาศัยอุปกรณ์ที่สามารถดึงกระแสไฟจนแบตเตอรี่มีศักย์ไฟฟ้าที่ต่ำกว่าปกติ หรือประมาณ 0.4-0.6 โวลต์ต่อเซลล์เพื่อให้ผลึกใหญ่ที่เกิดที่ขั้วนั้นแตกตัวและมีขนาดเล็กลง ปัจจุบันมีการพัฒนาเพื่อลดการเกิด Memory Effect ในแบตเตอรี่ประเภท Ni-MH โดยบริษัทซันโย/พานาโซนิค (Sanyo/Panasonic) ภายใต้ยี่ห้อ Eneloop
ถาม : สาเหตุอะไรบ้างที่อาจทำให้แบตเตอรี่ระเบิดหรือลุกติดไฟ?
ตอบ:
สาเหตุที่อาจทำให้แบตเตอรี่ระเบิดมีดังนี้
- แบตเตอรี่ระเบิดหรือติดไฟจากปัจจัยภายนอก
- แบตเตอรี่ได้รับความร้อนมากเกินไป (thermal abuse)
- แบตเตอรี่ได้รับแรงกระแทกจากภายนอก (mechanical abuse) เช่น ตกหล่นบ่อยๆ ได้รับแรงกระแทกจากการชนหรือมีสิ่งของวางทับ
- แบตเตอรี่ระเบิดหรือติดไฟจากปัจจัยภายใน
- ระบบจัดการแบตเตอรี่เกิดความผิดปกติ กล่าวคือไม่ตัดการชาร์จของแบตเตอรี่เมื่อประจุไฟเต็ม (BMS malfunction)
- อุปกรณ์ประจุไฟทำการประจุไฟให้แบตเตอรี่มากเกินไป (charger malfunction)
- การเกิดการลัดวงจรไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่จากการออกแบบที่ไม่ดี หรือ ลัดวงจรจากตัวแบตเตอรี่เสื่อมสภาพเมื่อมีการใช้งานไปนานๆ (internal short circuit due to false design/degradation of battery)
ปัจจัยดังกล่าวเป็นสาเหตุให้เกิดความร้อนขึ้นอย่างรวดเร็วและเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นภายใน เหล่านี้ล้วนทำให้แบตเตอรี่พอง บวม และอาจเกิดการระเบิด/ลุกติดไฟขึ้นได้หากไม่สามารถระบายความร้อน หรือปลดปล่อยแก๊สที่เกิดขึ้นออกไปได้ทันท่วงที ดังนั้นเพื่อป้องกันเหตุการณ์ที่ทำให้เกิดความร้อนและความดันสูงเกินไป แบตเตอรี่ส่วนใหญ่จึงมีวาล์วลดความดันเป็นอุปกรณ์ป้องกันเบื้องต้น นอกจากนี้ ในแบตเตอรี่ลิเทียมซึ่งมีความจุพลังงานที่สูงจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ป้องกันการชาร์จและการดิสชาร์จเกินพิกัดของกระแสและความต่างศักย์ที่กำหนด (over charge/ over discharge) ซึ่งอุปกรณ์ป้องกันมีด้วยกัน 2 ชนิดคือ
- Protection Circuit Module (PCM) สำหรับป้องการการชาร์จและใช้งานแบตเตอรี่ที่มากเกินไป ทำหน้าที่ตัดกระแสไฟฟ้าเมื่อแบตเตอรี่มีการใช้งานถึงแรงดันที่กำหนด
- Battery Management System (BMS) คือ ระบบจัดการแบตเตอรี่ ซึ่งทําหน้าที่ควบคุมป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ทำงานในลักษณะที่เป็นอันตราย เช่น การชาร์จไฟมากเกินไปหรือจ่ายไฟออกมากเกินไป รวมทั้งการ balance cell battery เพื่อประจุไฟให้เต็มมากที่สุด (maximize battery capacity) และยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่
ถาม : แบตเตอรี่สำรอง (power bank) คือแบตเตอรี่ประเภทใด เหตุใดจึงห้ามนำขึ้นเครื่องบินหากมีขนาดใหญ่กว่า 32,000 mAh ?
ตอบ:
เนื่องจากแบตเตอรี่สำรองมีแบตเตอรี่ประเภทลิเทียมไอออนอยู่ภายใน และแบตเตอรี่ประเภทลิเทียมไอออนมีความจุพลังงานต่อน้ำหนักสูง สมาคมการขนส่งทางอากาศระหว่างประเทศ หรือ ไออาตา IATA (International Air Transport Association) [4] จึงได้กำหนดข้อจำกัดของแบตเตอรี่สำรองในการนำขึ้นเครื่องบินดังนี้
- ห้ามนำแบตเตอรี่สำรองใส่กระเป๋าเดินทางโหลดใต้เครื่อง
- ให้ใส่กระเป๋าถือขึ้นเครื่องได้ โดยแบตเตอรี่สำรองต้องมีขนาดความจุไฟฟ้าไม่เกิน 32,000 mAh
- แบตเตอรี่สำรองความจุไฟฟ้า 20,000 mAh (หรือน้อยกว่า 100 วัตต์-ชั่วโมง (Wh) นำขึ้นเครื่องได้ไม่เกิน 20 ก้อน
- แบตเตอรี่สำรองความจุไฟฟ้า 20,000–32,000 mAh (หรือระหว่าง 100-160 วัตต์-ชั่วโมง (Wh) นำขึ้นเครื่องได้ไม่เกิน 2 ก้อน
- แบตเตอรี่สำรองความจุไฟฟ้ามากกว่า 32,000 mAh (หรือมากกว่า 160 วัตต์-ชั่วโมง (Wh) ไม่ได้รับอนุญาตให้นำขึ้นเครื่อง
โดยตัวเลข 32,000 mAh คำนวณมาจากพลังงานไฟฟ้าของแบตเตอรี่สำรองขนาด 160 Wh ที่แรงดันไฟฟ้าประมาณ 5 โวลต์ (32,000 mAh x 5 V = 160 Wh) ซึ่งค่าพลังงาน 160 Wh นั้นมีค่าเท่ากับ 1 ใน 7 เท่าของค่าพลังงานของระเบิด TNT ปริมาณ 1 กิโลกรัมที่สามารถระเบิดยานพาหนะขนาดเล็กได้เลยทีเดียว [5]
การจัดการ
ถาม : แบตเตอรี่แต่ละประเภทมีการจัดการที่แตกต่างกันหรือไม่ อย่างไร?
ตอบ:
แบตเตอรี่ถือเป็นของเสียอันตรายที่ไม่สามารถกำจัดได้ด้วยวิธีการฝังกลบหรือการเผาแบบปกติเหมือนกับขยะทั่วไป เนื่องจากแบตเตอรี่มีองค์ประกอบของโลหะอยู่ภายใน ซึ่งไม่สามารถย่อยสลายได้ตามธรรมชาติหากนำไปฝังกลบ และเกิดมลพิษทางอากาศได้หากเผา อีกทั้งมีอิเล็กโทรไลต์ที่มีฤทธิ์เป็นกรดหรือสารอินทรีย์ที่เป็นพิษ หากนำไปฝังกลบและเกิดการรั่วไหลจะทำให้เกิดมลพิษทางสิ่งแวดล้อมได้ ดังนั้นจึงมีการกำหนดมาตรการที่เฉพาะเจาะจงเพื่อให้มีการจัดการแบตเตอรี่ได้อย่างถูกต้องเหมาะสม
การจัดการแบตเตอรี่เริ่มจากการรวบรวมแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วและเสื่อมสภาพ สำหรับแบตเตอรี่ขนาดเล็ก เช่น แบตเตอรี่ในโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์ ผู้บริโภคถือเป็นผู้รับผิดชอบที่จะต้องนำไปทิ้งในจุดรับขยะอิเล็กทรอนิกส์ที่ถูกต้อง เพราะหากนำไปทิ้งปนกับขยะทั่วไปแบตเตอรี่เหล่านั้นอาจถูกนำไปเผาหรือฝังกลบซึ่งจะทำให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นการสร้างความตระหนักและการสร้างระบบเพื่อจัดการแบตเตอรี่ถือเป็นสิ่งสำคัญที่จะทำให้ผู้บริโภคนำไปทิ้งได้อย่างถูกวิธี ส่วนแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ เช่น แบตเตอรี่กรดตะกั่วที่ใช้ในรถยนต์ หรือแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้ในยานยนต์ไฟฟ้า ผู้ประกอบการในภาคอุตสาหกรรม เช่น ผู้จำหน่ายแบตเตอรี่ หรือผู้จำหน่ายยานยนต์ไฟฟ้า ถือเป็นผู้รับผิดชอบในการรวบรวมและจัดการแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว ซึ่งการจัดการดังกล่าวอยู่ในการกำกับดูแลของกรมโรงงานอุตสาหกรรม
หลังจากขั้นตอนการรวบรวมแบตเตอรี่ จะเป็นขั้นตอนการแยกตามประเภทเพื่อนำเข้าสู่กระบวนการกำจัดหรือรีไซเคิลต่อไป ซึ่งโดยภาพรวมแล้วการจัดการหรือรีไซเคิลแบตเตอรี่แต่ละประเภทนั้นมีหลักการที่คล้ายกันคือ เริ่มจากการคายประจุ (discharge) เพื่อให้แบตเตอรี่มีพลังงานลดลงและไม่เกิดประกายไฟ จากนั้นจึงนำไปถอดประกอบชิ้นส่วน (dismantle) เพื่อแยกสารอิเล็กโทรไลต์ และวัสดุต่างๆ ในแบตเตอรี่ ก่อนที่จะนำวัสดุที่คัดแยกได้ไปกำจัดหรือเข้าสู่กระบวนการรีไซเคิลต่อไป ความแตกต่างในการจัดการแบตเตอรี่แต่ละประเภทนั้นคือ ขั้นตอนการกำจัดหรือการรีไซเคิลวัสดุภายในของแบตเตอรี่ เพราะแบตเตอรี่แต่ละประเภทนั้นมีองค์ประกอบที่ต่างกันนั่นเอง
ถาม : ผู้ใช้งานควรทิ้งแบตเตอรี่อย่างไรเพื่อลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม ในประเทศไทยมีระบบจัดการหรือไม่ เราเห็นจุดทิ้งแบตเตอรี่ตามที่ต่างๆ แบตเตอรี่ที่ทิ้งแล้วไปไหน?
ตอบ:
ผู้ใช้งานหรือผู้บริโภคนั้นควรมีความตระหนักในการนำแบตเตอรี่ไปทิ้งในจุดที่รับทิ้งแบตเตอรี่ให้ถูกต้อง โดยเริ่มจากแยกแบตเตอรี่ออกจากอุปกรณ์ที่ใช้งานก่อน จากนั้นใส่ถุงมัดปิดเพื่อไม่ให้เกิดการลัดวงจรและติดป้ายให้ชัดเจนว่าเป็นขยะมีพิษ แล้วจึงนำไปทิ้งตามจุดที่รับทิ้งต่างๆ ทั้งในห้างสรรพสินค้า ร้านเครือข่ายโทรศัพท์มือถือ และที่ทำการไปรษณีย์ ทั้งนี้หากไม่สามารถถอดแบตเตอรี่ออกมาได้ เช่น แบตเตอรี่ในโทรศัพท์มือถือบางยี่ห้อ หรือเป็นแบตเตอรี่ขนาดใหญ่อย่างแบตเตอรี่กรดตะกั่ว หรือแพคแบตเตอรี่ในยานยนต์ไฟฟ้า ผู้บริโภคควรนำส่งคืนหรือเปลี่ยนแบตเตอรี่ที่ผู้จำหน่าย ไม่ควรถอดประกอบเพื่อหลอมเอาวัสดุมีค่าออกมาจากแบตเตอรี่ด้วยตัวเอง
ปัจจุบันแบตเตอรี่กรดตะกั่วถือเป็นแบตเตอรี่ที่ใช้มากที่สุดในรถยนต์ ซึ่งผู้บริโภคหรือผู้จำหน่ายรายย่อยบางรายมักแยกแบตเตอรี่เพื่อหลอมเอาตะกั่วแท่งออกมา ซึ่งการหลอมแบตเตอรี่แบบไม่ได้มาตรฐานจะทำให้ผู้หลอมได้รับสารพิษจากตะกั่วโดยการสัมผัสและระบบทางเดินหายใจ รวมถึงทำให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้การนำกรดซึ่งเป็นอิเล็กโทรไลต์ภายในแบตเตอรี่กรดตะกั่วไปทิ้งในที่สาธารณะก็ยังส่งผลเสียทางตรงต่อสิ่งแวดล้อมอีกด้วย
ในประเทศไทยยังไม่มีกฎหมายที่รองรับการจัดการแบตเตอรี่โดยเฉพาะ แต่มีกฎหมายที่เกี่ยวข้องกับการจัดการขยะอิเล็กทรอนิกส์ เช่น พระราชบัญญัติ (พ.ร.บ.) ส่งเสริมและรักษาคุณภาพสิ่งแวดล้อมแห่งชาติ พ.ศ. 2535 ที่ควบคุมการกำจัดของเสียและรักษาคุณภาพสิ่งแวดล้อม พ.ร.บ. โรงงาน พ.ศ. 2535 ซึ่งกำหนดมาตรฐานและวิธีควบคุมของเสียจากโรงงาน พ.ร.บ.วัตถุอันตราย พ.ศ. 2535 ที่ใช้บังคับผู้ที่ผลิต นำเข้า ส่งออกหรือครอบครองวัตถุอันตราย และ พ.ร.บ. การสาธารณสุข (ฉบับที่ 2) พ.ศ. 2550 ซึ่งกำหนดไว้ว่าองค์การปกครองส่วนท้องถิ่นต้องจัดให้มีการคัดแยก เก็บรวบรวม และกำจัดของเสียอันตรายจากชุมชนอย่างถูกต้อง ปัจจุบันประเทศไทยอยู่ระหว่างการผลักดันร่าง พ.ร.บ. การจัดการซากผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ พ.ศ…. (พ.ร.บ. WEEE: Waste Electric and Electronic Equipment) [6] โดยร่าง พ.ร.บ. ดังกล่าวนี้มีใจความรวมถึงความรับผิดชอบที่เพิ่มขึ้นของผู้ผลิต (Extended Producer Responsibility: EPR) และระบบการเรียกคืนซากผลิตภัณฑ์ ซึ่งจะทำให้ผู้ประกอบการสามารถเรียกคืนซากแบตเตอรี่เพื่อนำมารีไซเคิลได้มากยิ่งขึ้น
ถาม : แบตเตอรี่สามารถนำมารีไซเคิลได้หรือไม่?
ตอบ:
แบตเตอรี่สามารถนำมารีไซเคิลได้ ซึ่งกระบวนการรีไซเคิลนั้นมีหลายวิธีขึ้นอยู่กับประเภทของแบตเตอรี่และวัสดุภายในแบตเตอรี่ ปัจจุบันแบตเตอรี่ประเภทกรดตะกั่วนั้นมีปริมาณมากเนื่องจากใช้ในรถยนต์ โดยการรีไซเคิลแบตเตอรี่กรดตะกั่วนั้นเริ่มจากการเทน้ำกรดออกจากแบตเตอรี่ จากนั้นจึงถอดประกอบเพื่อแยกเคสและวัสดุออกจากกัน สำหรับเคสพลาสติกนำไปรีไซเคิล ส่วนวัสดุภายในสามารถแยกเป็นตะกั่วออกไซด์และแผ่นธาตุ ซึ่งนำไปหลอมในโรงงานเพื่อถลุงตะกั่วและรีไซเคิลแผ่นธาตุต่อไป
สำหรับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนนั้นมีการคาดกันว่าในอนาคตจะมีปริมาณซากแบตเตอรี่เพิ่มมากขึ้น เนื่องจากมีการใช้ในยานยนต์ไฟฟ้า (xEV) เพิ่มมากขึ้น มีการคาดการณ์ว่าในปี พ.ศ. 2575 ประเทศไทยจะมียานยนต์ไฟฟ้าสะสมถึงกว่า 22 ล้านคัน [7] ทำให้การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมีความสำคัญมากยิ่งขึ้นในอนาคต
เนื่องจากมูลค่าของวัสดุภายในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนคิดเป็นสัดส่วนถึง 64% ของมูลค่าแบตเตอรี่ทั้งหมด [8] โดยแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่เสื่อมสภาพหรือใช้การไม่ได้จะถูกนำมาตรวจสอบความสามารถทางไฟฟ้าและ state-of-health ของแบตเตอรี่ก่อน
หากแบตเตอรี่เสียที่วงจรไฟฟ้าหรือเสื่อมแค่บางเซลล์ในโมดูลก็จะซ่อมหรือเปลี่ยนเซลล์แล้วจึงนำกลับมาใช้ใหม่ เรียกวิธีการนี้ว่า remanufacturing หากตรวจแล้วพบว่าแบตเตอรี่นั้นมี state-of-health ระหว่าง 60-80% สามารถนำไปใช้งานในแอปพลิเคชันอื่นที่ต้องการความจุแบตเตอรี่น้อยกว่าเดิมได้ เรียกวิธีการนี้ว่า repurposing หรือ second-life ของแบตเตอรี่ เช่น การนำแบตเตอรี่ในรถไฟฟ้าที่เสื่อมสภาพไปใช้ในระบบกักเก็บพลังงานแบบติดตั้งอยู่กับที่ โดยปัจจุบันบริษัท Nissan ได้ร่วมมือกับบริษัท Eaton เพื่อนำแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนในรถยนต์ Nissan leaf ที่ใช้แล้วนำไปใช้เป็นแหล่งพลังงานสำรองภายในบ้านในชื่อ xStorage [9] ทั้งนี้หากตรวจแล้วพบว่า state-of-health ของแบตเตอรี่มีค่าต่ำกว่า 60% จึงค่อยนำไปรีไซเคิล ดังแสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 การจัดการกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนตามค่า state-of-health ของแบตเตอรี่
การรีไซเคิลแบตเตอรี่ประกอบด้วย 4 กระบวนการหลักๆ ดังนี้
- กระบวนการทางกล (mechanical process) เป็นกระบวนการสลายและคัดแยกวัสดุแบตเตอรี่ด้วยวิธีทางกล เช่น การบด การกรอง การใช้แม่เหล็ก การแช่เย็น
- กระบวนการโลหวิทยาความร้อน (pyrometallurgical process) เป็นกระบวนการที่ใช้ความร้อนเพื่อหลอมและถลุงเหล็กและนำโลหะมีค่ากลับออกมาในรูปของโลหะผสม
- กระบวนการโลหวิทยาสารละลาย (hydrometallurgical process) เป็นกระบวนการที่ใช้สารเคมีเพื่อชะละลาย (leaching) และนำกลับโลหะมีค่ามาในรูปของสารละลายเกลือ
- กระบวนการไดเร็กรีไซเคิล (direct recycling process) เป็นการรักษาวัสดุภายในแบตเตอรี่ที่เสื่อมสภาพทางตรง เพื่อรักษาให้วัสดุที่เสื่อมสภาพมีคุณสมบัติเหมือนวัสดุดั้งเดิมและนำกลับมาใช้เป็นวัสดุในแบตเตอรี่ที่ประกอบใหม่
รูปที่ 4 กระบวนการรีไซเคิลของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน
การรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนประกอบด้วยการนำกระบวนการข้างต้นมาประกอบกัน [10] ดังแสดงในรูปที่ 4 ซึ่งแต่ละบริษัทในแต่ละประเทศก็มีวิธีการรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่แตกต่างกัน [11] เช่น บริษัท Umicore ในเบลเยี่ยมใช้กระบวนการโลหวิทยาความร้อนในการถลุงโลหะมีค่า เช่น โคบอลต์ นิกเกิล ทองแดง และเหล็ก ออกมาในรูปของโลหะผสม แล้วจึงละลายด้วยกระบวนการทางโลหวิทยาสารละลายเพื่อแยกโลหะมีค่าออกจากกัน หรือบริษัท Retriev ประเทศสหรัฐอเมริกาที่ใช้ไนโตรเจนเหลวในการแช่แข็งแบตเตอรี่เพื่อป้องกันการเกิดปฏิกิริยาของลิเทียมแล้วจึงบดและคัดแยกวัสดุ จากนั้นจึงนำไปคัดแยกด้วยกระบวนการโลหวิทยาสารละลายเพื่อสกัดลิเทียมและโคบอลต์ สำหรับประเทศไทยยังไม่มีโรงงานรีไซเคิลแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนโดยเฉพาะ ดังนั้นผู้ประกอบการจะส่งออกแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้วไปยังต่างประเทศเพื่อรีไซเคิล
เอกสารอ้างอิง
- BATTERY 2030+ Roadmap: Inventing the Sustainable Batteries of the Future, Research Needs and Future Actions, https://battery2030.eu/digitalAssets/861/c_861008-l_1-k_roadmap-27-march.pdf (accessed November 5, 2020).
- เตือนภัยอย่าใช้มือถือขณะชาร์จแบต, การไฟฟ้าส่วนภูมิภาค, https://www.pea.co.th/ (accessed December 23, 2020)
- T.D. Tran, J.H. Feikert, R.W. Pekala, K. Kinoshita, Rate effect on lithium-ion graphite electrode performance, J. Appl. Electrochem. 26 (1996) 1161–1167. https://doi.org/10.1007/BF00243741.
- Traveling with Portable Electronic Devices (PEDs), https://www.iata.org/en/programs/ops-infra/baggage/ped/ (accessed November 27, 2020)
- Energy and Work Conversion Table, https://www.unitconversion.org/unit_converter/energy-ex.html (accessed December 29, 2020)
- บันทึกหลักการและเหตุผล ประกอบร่างพระราขบัญญัติการจัดการซากผลิตภัณฑ์เครื่องใช้ไฟฟ้าและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ พ.ศ. …., https://www.lawamendment.go.th/index.php/faq?id=717 (accessed November 11, 2020)
- รายงานแผนพัฒนาโครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้าเพื่อรองรับยานยนต์ไฟฟ้าของประเทศไทย, https://www.eppo.go.th/images/Infromation_service/studyreport/EV_plan.pdf (accessed November 11, 2020)
- Pillot, Christophe. “Avicenne Energy.”Battery Market Compilations, twenty first ed. (2017).
- Nissan and Eaton release ‘Xstorage’ – home energy storage solution, https://www.pntpower.com/nissan-eaton-release-xstorage-home-energy-storage-solution/ (accessed November 11, 2020)
- M. Chen, X. Ma, B. Chen, R. Arsenault, P. Karlson, N. Simon, Y. Wang, Recycling End-of-Life Electric Vehicle Lithium-Ion Batteries, Joule. 3 (2019) 2622–2646. https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.09.014.
- Pinegar, Haruka, and York R. Smith. “Recycling of end-of-life lithium ion batteries, Part I: Commercial processes.”Journal of Sustainable Metallurgy (2019): 1-15.
