ปัจจุบันมีแบตเตอรี่ตะกั่วกรดปิดผนึก (VRLA) ที่ควบคุมโดยวาล์วอยู่สองประเภท ซึ่งใช้ตัวแยกไฟเบอร์กลาส (AGM) และซิลิโคนเจล (เจล) ในสองวิธีที่แตกต่างกันในการ “ตายตัว” อิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริก ทั้งสองใช้หลักการดูดซับขั้วบวกเพื่อปิดผนึกแบตเตอรี่ แต่ช่องที่ให้ออกซิเจนที่ปล่อยออกมาจากขั้วขั้วลบไปถึงขั้วบวกนั้นแตกต่างกัน ดังนั้นประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ทั้งสองจึงมีข้อดีในตัวเอง บทความนี้จะทำการวิเคราะห์เปรียบเทียบแบตเตอรี่เจลและแบตเตอรี่ AGM
ประวัติการพัฒนาแบตเตอรี่เจลกับแบตเตอรี่ AGM
ตั้งแต่เริ่มก่อตั้งจนถึงปัจจุบัน แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นแหล่งพลังงานเคมีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดในด้านการทหารและพลเรือน เนื่องจากใช้อิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริก กรดจะไหลออกมาในระหว่างการขนส่ง และละอองกรดจะตกตะกอนระหว่างการชาร์จ ทำให้เกิดความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมและอุปกรณ์ ผู้คนพยายามที่จะ “แก้ไข” อิเล็กโทรไลต์และ “ปิดผนึก” แบตเตอรี่ ดังนั้นจึงได้เกิดแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่ใช้อิเล็กโทรไลต์คอลลอยด์
อิเล็กโทรไลต์คอลลอยด์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ตะกั่วกรดคอลลอยด์ในยุคแรกๆ ทำจากแก้วน้ำ จากนั้นจึงเติมลงในแบตเตอรี่กรดตะกั่วแห้งโดยตรง แม้ว่าการดำเนินการนี้จะบรรลุวัตถุประสงค์ในการ “แก้ไข” อิเล็กโทรไลต์หรือลดการตกตะกอนของหมอกกรด แต่ก็ทำให้ความจุของแบตเตอรี่ต่ำกว่าความจุของแบตเตอรี่เดิมประมาณ 20% ที่ใช้อิเล็กโทรไลต์อิสระ ดังนั้นจึงไม่ได้รับการยอมรับจากผู้คน
จีนยังได้ดำเนินการวิจัยและพัฒนาเบื้องต้นเกี่ยวกับแบตเตอรี่เจลในช่วงทศวรรษ 1950 แต่โดยพื้นฐานแล้วได้หยุดลงเมื่อสิ้นสุดทศวรรษ 1960 อย่างไรก็ตาม ตั้งแต่ปลายทศวรรษ 1970 ถึง 1980 ผู้คนนอกอุตสาหกรรมแบตเตอรี่บางคนกล่าวอ้างอย่างผิดๆ ว่าตนได้ประดิษฐ์แบตเตอรี่กรดตะกั่วอิเล็กโทรไลต์แข็ง โดยอ้างว่ามีความจุและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
การสร้างนี้ซึ่งไม่สามารถยืนหยัดต่อการทดสอบข้อเท็จจริงได้ ไม่เพียงแต่ล้มเหลวในการปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเท่านั้น แต่ยังทำลายชื่อเสียงของแบตเตอรี่เจลอีกด้วย
เกือบจะในเวลาเดียวกันกับที่แบตเตอรี่เจลได้รับการพัฒนา แบตเตอรี่ตะกั่วกรดปิดผนึกการดูดซึมแคโทดโดยใช้ตัวแยกใยแก้วถือกำเนิดขึ้น ไม่เพียงแต่กำจัดละอองกรดในแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเท่านั้น แต่ยังแสดงให้เห็นถึงข้อดีของความต้านทานภายในเล็กน้อยอีกด้วย และลักษณะการจ่ายกระแสไฟสูงที่ดี ดังนั้นในเชิงเศรษฐกิจ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดปิดผนึกการดูดซึมแคโทดพร้อมตัวแยกใยแก้วจึงได้รับการส่งเสริมและนำไปใช้อย่างรวดเร็ว ดังนั้นผู้คนจึงลดการใช้แบตเตอรี่เจล
แบตเตอรี่เจลและแบตเตอรี่ AGM ทำงานอย่างไร
ไม่ว่าจะเป็นแบตเตอรี่ตะกั่วกรดปิดผนึกที่ควบคุมโดยวาล์วโดยใช้ตัวแยกใยแก้ว (ต่อไปนี้จะเรียกว่าแบตเตอรี่ AGM) หรือแบตเตอรี่กรดตะกั่วปิดผนึกที่ควบคุมโดยวาล์วโดยใช้อิเล็กโทรไลต์คอลลอยด์ (ต่อไปนี้จะเรียกว่าแบตเตอรี่เจล) ล้วนใช้ หลักการดูดซับแคโทดเพื่อปิดผนึกแบตเตอรี่
เมื่อชาร์จแบตเตอรี่แล้ว ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมาจากขั้วบวก และไฮโดรเจนจะถูกปล่อยออกมาจากขั้วลบ การวิวัฒนาการของออกซิเจนที่ขั้วบวกเริ่มต้นเมื่อประจุขั้วบวกถึง 70% ออกซิเจนที่ตกตะกอนจะไปถึงขั้วลบและทำปฏิกิริยากับขั้วลบดังต่อไปนี้เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ของการดูดซับแคโทด วิวัฒนาการของไฮโดรเจนของขั้วลบเริ่มต้นเมื่อประจุถึง 90% ควบคู่ไปกับการลดลงของออกซิเจนบนขั้วลบและการเพิ่มขึ้นของไฮโดรเจนที่มีมากเกินไปของขั้วลบเอง ทำให้เกิดปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจนจำนวนมาก
สำหรับแบตเตอรี่ AGM แม้ว่าอิเล็กโทรไลต์ส่วนใหญ่ของแบตเตอรี่จะยังคงอยู่ในตัวแยก AGM แต่รูพรุนของตัวแยก 10% จะต้องเก็บไว้จากอิเล็กโทรไลต์ ออกซิเจนที่สร้างโดยอิเล็กโทรดบวกจะไปถึงขั้วลบผ่านรูขุมขนส่วนนี้ และถูกดูดซับโดยขั้วลบ
สำหรับแบตเตอรี่เจล ซิลิโคนเจลในแบตเตอรี่เป็นโครงสร้างเครือข่ายที่มีรูพรุนสามมิติที่ประกอบด้วยอนุภาค SiQ เป็นโครงกระดูก ซึ่งจะดักจับอิเล็กโทรไลต์ไว้ภายใน หลังจากที่ซิลิกาโซลเทลงในแบตเตอรี่จะกลายเป็นเจล โครงกระดูกจะหดตัวลงอีก ทำให้เกิดรอยแตกในเจลทะลุผ่านระหว่างแผ่นขั้วบวกและขั้วลบ ทำให้เกิดช่องทางให้ออกซิเจนที่ตกตะกอนจากขั้วบวกไปถึงขั้วลบ
จากนี้จะเห็นได้ว่าหลักการทำงานของแบตเตอรี่เจลและแบตเตอรี่ AGM นั้นเหมือนกัน ความแตกต่างอยู่ที่วิธีการ “ยึด” อิเล็กโทรไลต์ และวิธีการจ่ายออกซิเจนให้กับช่องขั้วลบ
ความแตกต่างในโครงสร้างและกระบวนการระหว่างแบตเตอรี่ทั้งสอง
แบตเตอรี่ AGM ใช้สารละลายน้ำกรดซัลฟิวริกบริสุทธิ์เป็นอิเล็กโทรไลต์ โดยมีความหนาแน่น 1.29-1.31g/cm3 ยกเว้นส่วนหนึ่งของอิเล็กโทรไลต์ที่ถูกดูดซับภายในแผ่น ส่วนใหญ่จะมีอยู่ในเมมเบรนใยแก้ว เพื่อให้เป็นช่องทางสำหรับออกซิเจนที่ตกตะกอนจากอิเล็กโทรดบวกไปยังอิเล็กโทรดลบ 10% ของรูพรุนในตัวแยกจะต้องไม่ถูกครอบครองโดยอิเล็กโทรไลต์ กล่าวคือ การออกแบบแบบไม่มีของเหลว เพื่อให้แผ่นอิเล็กโทรดสัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์อย่างเต็มที่ Jiqun จึงใช้วิธีการประกอบที่แน่นหนา
นอกจากนี้ เพื่อให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานเพียงพอ ควรออกแบบแผ่นให้หนาขึ้น และโลหะผสมกริดเชิงบวกทำจากโลหะผสมควอเทอร์นารี Pb’-q2w-Srr–A1
อิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่เจลประกอบด้วยซิลิกาโซลและกรดซัลฟิวริก ความเข้มข้นของสารละลายกรดซัลฟิวริกต่ำกว่าความเข้มข้นของแบตเตอรี่ AGM ซึ่งปกติจะอยู่ที่ 1.26~1.28g/cm3 ปริมาณอิเล็กโทรไลต์มากกว่าแบตเตอรี่ AGM ถึง 20% ซึ่งเทียบเท่ากับแบตเตอรี่น้ำท่วม อิเล็กโทรไลต์นี้มีอยู่ในสถานะคอลลอยด์และถูกเติมลงในตัวแยกและระหว่างอิเล็กโทรดบวกและลบ อิเล็กโทรไลต์กรดซัลฟิวริกถูกล้อมรอบด้วยเจลและจะไม่ไหลออกจากแบตเตอรี่
เนื่องจากแบตเตอรี่นี้ใช้โครงสร้างการประกอบที่ไม่แน่นหนาซึ่งเติมของเหลว วัสดุกริดเชิงบวกจึงอาจเป็นโลหะผสมพลวงต่ำหรือแผ่นขั้วบวกของแบตเตอรี่แบบท่อ ในเวลาเดียวกัน เพื่อที่จะเพิ่มความจุแบตเตอรี่โดยไม่ลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เพลตสามารถทำให้บางลงได้ พื้นที่ภายในของช่องใส่แบตเตอรี่สามารถขยายได้
ความจุที่การคายประจุของแบตเตอรี่เจลและแบตเตอรี่ AGM
ความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่เจลในยุคแรกๆ มีเพียงประมาณ 80% ของแบตเตอรี่ที่ถูกน้ำท่วม ทั้งนี้เกิดจากการใช้อิเล็กโทรไลต์คอลลอยด์ประสิทธิภาพต่ำที่เทลงในแบตเตอรี่ที่ถูกน้ำท่วมโดยตรงที่ไม่มีการดัดแปลง ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่และอิเล็กโทรไลต์เกิดจากความยากลำบาก ในการอพยพของไอออน
งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าสูตรของอิเล็กโทรไลต์คอลลอยด์ได้รับการปรับปรุง ขนาดของอนุภาคคอลลอยด์ถูกควบคุม สารเติมแต่งโพลีเมอร์ที่ชอบน้ำจะถูกเพิ่ม ความเข้มข้นของสารละลายคอลลอยด์ลดลง ความสามารถในการซึมผ่านและความสัมพันธ์กับแผ่นอิเล็กโทรดได้รับการปรับปรุง ใช้กระบวนการเติมสูญญากาศและใช้ตัวแยกคอมโพสิตหรือตัวแยก AGM แทนที่ตัวแยกยางเพื่อปรับปรุงการดูดซึมของเหลวของแบตเตอรี่ การกำจัดถังตกตะกอนของแบตเตอรี่และการเพิ่มปริมาณของวัสดุออกฤทธิ์ในพื้นที่แผ่นอย่างเหมาะสมจะทำให้ความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่ที่ปิดผนึกด้วยเจลไปถึงหรือเข้าใกล้ระดับของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดแบบเปิด
แบตเตอรี่ AGM มีอิเล็กโทรไลต์น้อยกว่า แผ่นหนากว่า และการใช้วัสดุที่ออกฤทธิ์ต่ำกว่าแบตเตอรี่แบบเปิด ดังนั้น ความสามารถในการคายประจุของแบตเตอรี่จึงต่ำกว่าแบตเตอรี่แบบเปิดประมาณ 10% ความสามารถในการคายประจุน้อยกว่าแบตเตอรี่เจลซีลในปัจจุบัน
ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่และความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าสูง
ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดประกอบด้วยความต้านทานภายในแบบโอห์มมิก ความต้านทานภายในโพลาไรเซชันความเข้มข้น และความต้านทานภายในโพลาไรเซชันเคมีไฟฟ้า แบบแรกประกอบด้วยเพลต ชิ้นส่วนตะกั่ว อิเล็กโทรไลต์ และตัวต้านทานตัวแยก
ตัวแยกใยแก้วที่ใช้ในแบตเตอรี่ AGM มีความพรุน 90% กรดซัลฟิวริกถูกดูดซับไว้ข้างใน และแบตเตอรี่ถูกประกอบอย่างแน่นหนา การแพร่กระจายและการย้ายถิ่นของไอออนในตัวแยกจะถูกขัดขวางเล็กน้อย ดังนั้นแบตเตอรี่ AGM จึงมีอยู่ภายในต่ำ ลักษณะความต้านทาน ความสามารถในการปล่อยกระแสไฟขนาดใหญ่ได้อย่างรวดเร็ว
อิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่คอลลอยด์คือซิลิกาเจล แม้ว่าความเร็วการแพร่กระจายของไอออนในเจลจะใกล้เคียงกับความเร็วการแพร่กระจายในสารละลายที่เป็นน้ำ แต่การโยกย้ายและการแพร่กระจายของไอออนจะได้รับผลกระทบจากโครงสร้างของเจล เมื่อดัดงอ รูพรุนก็จะแคบลง โครงสร้างยิ่งมีสิ่งกีดขวางมากขึ้น ดังนั้นความต้านทานภายในของแบตเตอรี่เจลจึงมีมากกว่าความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ AGM
อย่างไรก็ตาม ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการคายประจุกระแสไฟสูงของแบตเตอรี่เจลยังคงดีมาก ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดสำหรับประสิทธิภาพการคายประจุกระแสไฟสูงของแบตเตอรี่แบบปิดผนึกในมาตรฐานที่เกี่ยวข้องอย่างสมบูรณ์ อาจเนื่องมาจากความเข้มข้นของกรดและไอออนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องในชั้นของเหลวภายในอิเล็กโทรดที่มีรูพรุนและใกล้กับแผ่นอิเล็กโทรดมีบทบาทสำคัญในการปล่อยกระแสไฟสูง
ผลกระทบของการหนีความร้อนต่อแบตเตอรี่เจลและแบตเตอรี่ AGM
การหนีความร้อน( thermal runaway )หมายถึงความจริงที่ว่าแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จของแบตเตอรี่ไม่ได้รับการปรับตามเวลาในช่วงเวลาการชาร์จล่าช้า (หรือสถานะการชาร์จแบบลอยตัว) ทำให้เกิดการเสริมกำลังร่วมกันระหว่างกระแสการชาร์จและอุณหภูมิของแบตเตอรี่ ในเวลานี้ อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้ถังแบตเตอรี่บวมและเสียรูป อัตราการสูญเสียน้ำจะเพิ่มขึ้น และแบตเตอรี่อาจเสียหายได้
ปรากฏการณ์ข้างต้นเป็นปรากฏการณ์ที่สร้างความเสียหายอย่างมากซึ่งเกิดขึ้นเมื่อใช้แบตเตอรี่ AGM อย่างไม่เหมาะสม เนื่องจากแบตเตอรี่ AGM ใช้การออกแบบการประกอบแบบไร้ของเหลว และต้องรักษารูพรุน 10% ในตัวแยกเพื่อป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรไลต์เข้าไป ดังนั้น การนำความร้อนภายในแบตเตอรี่จึงต่ำและความจุความร้อนมีน้อย
เมื่อทำการชาร์จ ออกซิเจนที่เกิดจากอิเล็กโทรดบวกจะไปถึงอิเล็กโทรดลบและทำปฏิกิริยากับตะกั่วอิเล็กโทรดลบเพื่อสร้างความร้อน หากไม่ดำเนินการให้ทันเวลา อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้น หากแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จไม่ลดลง เวลาชาร์จจะเพิ่มขึ้นและอัตราการวิวัฒนาการของออกซิเจนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้น หากวงจรอุบาทว์ดังกล่าวยังคงดำเนินต่อไป จะทำให้เกิดการหนีความร้อน
สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรดชนิดเปิด เนื่องจากแคโทดไม่มีการดูดซับออกซิเจน และปริมาณอิเล็กโทรไลต์ค่อนข้างมาก แบตเตอรี่จึงสามารถกระจายความร้อนได้ง่ายและมีความจุความร้อนสูง แน่นอนว่าจะไม่เกิดการหนีความร้อน ปริมาณอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ในแบตเตอรี่เจลเทียบเท่ากับปริมาณอิเล็กโทรไลต์แบบเจลแบบเปิด เติมอิเล็กโทรไลต์เจลไว้รอบๆ กลุ่มขั้วและระหว่างถังกับแบตเตอรี่ มีความจุความร้อนสูงและกระจายความร้อนไม่ได้ ทำให้เกิดความร้อนสะสม
อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ทั้งสองประเภท
มีหลายปัจจัยที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด รวมถึงการออกแบบแบตเตอรี่และปัจจัยการผลิต ตลอดจนสภาพการใช้งานและการบำรุงรักษาของผู้ใช้ เท่าที่เกี่ยวข้องกับประการแรก ความต้านทานการกัดกร่อนของกริดอิเล็กโทรดบวกและอัตราการสูญเสียน้ำของแบตเตอรี่เป็นสองปัจจัยที่สำคัญที่สุด
เนื่องจากความหนาของกริดบวกเพิ่มขึ้นและใช้โลหะผสมที่ทนต่อการกัดกร่อนของ Pb-Ca-Sn–Al quaternary อายุการใช้งานของแบตเตอรี่จึงสูงถึง 10 ถึง 15 ปีขึ้นอยู่กับอัตราการกัดกร่อนของกริด อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาจากผลการใช้งานแบตเตอรี่ อัตราการสูญเสียน้ำกลายเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่แบบปิดผนึก
สำหรับแบตเตอรี่ AGM เนื่องจากการออกแบบแบบไร้ของเหลว ความจุของแบตเตอรี่จึงไวต่อปริมาณอิเล็กโทรไลต์อย่างมาก หากแบตเตอรี่สูญเสียน้ำ 10% ความจุจะลดลง 20% หากแบตเตอรี่สูญเสียน้ำ 25% อายุการใช้งานแบตเตอรี่จะสิ้นสุดลง
อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่เจลใช้การออกแบบที่เติมของเหลว และความหนาแน่นของอิเล็กโทรไลต์ต่ำกว่าแบตเตอรี่ AGM ซึ่งช่วยลดอัตราการกัดกร่อนของกริดอัลลอยด์ ปริมาณของอิเล็กโทรไลต์ยังมากกว่ารุ่นหลังถึง 15% ถึง 20% และไวต่อการสูญเสียน้ำน้อยกว่า มาตรการเหล่านี้มีประโยชน์ต่อการยืดอายุแบตเตอรี่
ข้างต้นเป็นการเปรียบเทียบแบตเตอรี่เจลและแบตเตอรี่ AGM ประเภทแบตเตอรี่มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน เมื่อเปรียบเทียบแบตเตอรี่ทั้งสองประเภทนี้ คุณจะเข้าใจความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่ทั้งสองประเภทนี้ได้ดีขึ้น
แบตเตอรี่สังกะสีอากาศมีความหนาแน่นของพลังงานสูงและสามารถให้พลังงานที่ต่อเนื่องได้เป็นเวลานาน เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่อื่นๆ ต้นทุนของแบตเตอรี่สังกะสี-อากาศต่ำ สาเหตุหลักมาจากวัสดุที่ใช้ สังกะสีและอากาศ เป็นทั้งทรัพยากรที่แพร่หลายและราคาถูก
แบตเตอรี่อัลคาไลน์และแบตเตอรี่คาร์บอนเป็นแบตเตอรี่สองชนิดที่พบมากที่สุดในตลาดปัจจุบันและเป็นแบตเตอรี่แห้งทั้งคู่ อย่างไรก็ตาม วัสดุที่ใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ทั้งสองนี้มีความแตกต่างกันทำให้มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกัน
แบตเตอรี่กราฟีนมีพื้นฐานมาจากแบตเตอรี่ตะกั่วกรดที่เติมองค์ประกอบพิเศษของกราฟีนมีลักษณะของความหนาแน่นสูงและอายุการใช้งานยาวนานกว่า
