วิเคราะห์วิธีการบำรุงรักษาการชาร์จแบตเตอรี่ NiMH

แบตเตอรี่ NiMH คืออะไร

 แบตเตอรี่ NiMH เป็นแบตเตอรี่สำรองรุ่นใหม่รองจากแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม (Cd-Ni) เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ Cd-Ni ความจุของแบต NiMH เพิ่มขึ้นมากกว่า 50% ซึ่งช่วยลดมลพิษของ Cd สู่สิ่งแวดล้อม ชาร์จเร็วได้ แบตเจล กับแบต NiMH มีความแตกต่างอย่างไร แรงดันไฟฟ้าของแบต NiMH คือ 1.2 V พลังงานเฉพาะของแบตเตอรี่ NiMH พลังงานสูงสามารถสูงถึง 95 วัตต์/กก. พลังงานเฉพาะของแบต NiMH พลังงานสูงสามารถสูงถึง 900 วัตต์/กก. และวงจรชีวิตเกิน 1,000 ครั้ง อุณหภูมิสภาพแวดล้อมในการทำงานคือ -40 ~ +55 ℃ และการสูญเสียความสามารถในการทำงานที่อุณหภูมิสูงและต่ำมีน้อย

ประวัติการพัฒนาแบตเตอรี่ NiMH

แบตเตอรี่ NiMH ประสบความสำเร็จในการพัฒนาโดย Sony Corporation of Japan ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 และออกสู่ตลาดเป็นครั้งแรกในปี 1991 ต่อจากนั้น บริษัทอื่นๆ เช่น Panasonic, VARTA ฯลฯ ก็เริ่มผลิตแบต NiMH ด้วยเช่นกัน ประวัติการพัฒนาของแบต NiMH สามารถแบ่งออกเป็นขั้นตอนต่อไปนี้:

ช่วงเริ่มต้น (ตั้งแต่ต้นปี 1990 ถึงกลางปี 2000): เทคโนโลยีแบตเตอรี่ NiMH ค่อยๆ เติบโตเต็มที่ และการใช้งานเชิงพาณิชย์ค่อยๆ ขยายตัว ส่วนใหญ่ใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์พกพาขนาดเล็กสำหรับผู้บริโภค เช่น โทรศัพท์ไร้สาย คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก กล้องดิจิทัล และอุปกรณ์เครื่องเสียงพกพา

ช่วงกลาง (กลางปี 2000 ถึงต้นปี 2010): ด้วยการพัฒนาอินเทอร์เน็ตบนมือถือและความนิยมของอุปกรณ์ปลายทางอัจฉริยะ เช่น สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ต แบตเตอรี่นิกเกิลไฮโดรเจนจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติม ความหนาแน่นของพลังงานได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และอายุการใช้งานของวงจรก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

ช่วงล่าสุด (กลางปี 2010 ถึงปัจจุบัน): แบตเตอรี่ NiMH ได้กลายเป็นหนึ่งในแบตเตอรี่พลังงานหลักสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริด ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยี ความหนาแน่นของพลังงานของแบต NiMH ได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และความปลอดภัยและอายุการใช้งานของวงจรก็ได้รับการปรับปรุงให้ดียิ่งขึ้นด้วย ในขณะเดียวกัน ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของการรับรู้ทั่วโลกเกี่ยวกับการปกป้องสิ่งแวดล้อม แบตเตอรี่ NiMH จึงเป็นที่นิยมเช่นกัน เนื่องจากมีลักษณะที่ปราศจากมลพิษ ปลอดภัย และมีความเสถียร

หลักการทำงานของแบตเตอรี่ NiMH

แบต NiMH เป็นแบตเตอรี่อัลคาไลน์ ขั้วลบใช้วัสดุกักเก็บไฮโดรเจนเป็นอิเล็กโทรดไฮไดรด์ของวัสดุที่ใช้งานอยู่ ขั้วบวกใช้นิกเกิลไฮดรอกไซด์ (เรียกว่าแบตเตอรี่นิกเกิล) และอิเล็กโทรไลต์คือสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ในน้ำ
สูตรเคมีไฟฟ้าของมันสามารถแสดงเป็น:
(-) M/MH | KOH (6 mol/L) | Ni(OH)2/NiOOH (+)

ในสูตร M แทนโลหะผสมกักเก็บไฮโดรเจน และ MH แทนเมทัลไฮไดรด์ มันทำงานดังนี้:

● การตอบสนองการชาร์จและการคายประจุตามปกติ
ปฏิกิริยาต่อขั้วบวก:
ปฏิกิริยาต่อขั้วลบ:
ปฏิกิริยาโดยรวม:
(จากซ้ายไปขวาคือปฏิกิริยาการชาร์จ จากขวาไปซ้ายคือปฏิกิริยาการคายประจุ)
เมื่อทำการชาร์จ การเปลี่ยนแปลงของ Ni(OH)2→NiOOH จะเกิดขึ้นที่ขั้วบวก และปฏิกิริยาการสลายตัวของน้ำจะเกิดขึ้นที่ขั้วลบ ไฮโดรเจนจะถูกดูดซับบนพื้นผิวของโลหะผสมเพื่อสร้างไฮไดรด์ กระบวนการคายประจุเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับ

ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบนขั้วบวกของแบต NiMH ในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุเป็นของกลไกการเปลี่ยนเฟสของแข็ง ในระหว่างกระบวนการปฏิกิริยาทั้งหมด จะไม่มีไอออนโลหะที่ละลายน้ำได้เกิดขึ้น และไม่มีการบริโภคและการสร้าง องค์ประกอบอิเล็กโทรไลต์ใด ๆ ดังนั้น แบต NiMH จึงสามารถปิดผนึกได้อย่างสมบูรณ์และไม่ต้องบำรุงรักษา และกระบวนการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่นั้นถือได้ว่าเป็นกระบวนการแลกเปลี่ยนซึ่งกันและกันของการถ่ายโอนอะตอมของไฮโดรเจนหรือโปรตอนจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรดหนึ่ง

ในระหว่างกระบวนการชาร์จ H+ ในวัสดุแอกทีฟของอิเล็กโทรดบวกจะแพร่ไปยังอิเล็กโทรดบวก/ส่วนติดต่อของสารละลายก่อน และทำปฏิกิริยากับ OH- ในสารละลายเพื่อผลิตน้ำ จากนั้น H+ อิสระในสารละลายจะแพร่ไปยังขั้วลบ/ส่วนต่อประสานของสารละลายผ่านอิเล็กโทรไลต์เพื่อผ่านปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเพื่อผลิตอะตอมของไฮโดรเจน และแพร่ต่อไปในวัสดุขั้วลบซึ่งเป็นโลหะผสมที่เก็บไฮโดรเจนของวัสดุขั้วลบเพื่อรวมเข้ากับมันเพื่อผลิตอัลลอยด์ไฮไดรด์ กระบวนการคายประจุเป็นสิ่งที่ตรงกันข้าม

● ปฏิกิริยาการชาร์จมากเกินไปและการคายประจุ
ปฏิกิริยาโอเวอร์ชาร์จอิเล็กโทรดขั้วบวก (วิวัฒนาการของออกซิเจน):
40H-→2H20 + 02↑+ 4e-

ปฏิกิริยาโอเวอร์ชาร์จเชิงลบ (การใช้ออกซิเจน): 2H20 + 02↑+ 4e-→40H-

ปฏิกิริยาการปลดปล่อยประจุบวกมากเกินไป (วิวัฒนาการของไฮโดรเจน):
2H20 + 2e-→H2↑+ 20H-

ปฏิกิริยาการคายประจุมากเกินไปในทางลบ (การใช้ไฮโดรเจน):
H2↑+ 20H-→2H20 + 2e-

เนื่องจากผลของการเร่งปฏิกิริยาของโลหะผสมกักเก็บไฮโดรเจน ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตโดยขั้วบวกสามารถถูกกำจัดได้ เพื่อให้แบตเตอรี่ MH-Ni มีความสามารถในการทนต่อการชาร์จและการคายประจุมากเกินไป
ในแง่ของการออกแบบ ความจุของขั้วลบมีมากกว่าความจุของขั้วบวก ดังนั้นหลังจากการอัดประจุมากเกินไป ออกซิเจนที่ตกตะกอนบนขั้วบวกสามารถแพร่ผ่านไดอะแฟรมไปยังพื้นผิวของขั้วลบและรวมตัวกับไฮโดรเจนอีกครั้งเพื่อก่อตัวขึ้น น้ำและ OH- เข้าไปในอิเล็กโทรไลต์จึงหลีกเลี่ยงแรงดันภายในของแบตเตอรี่ไม่ให้เพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์สูง

ตามหลักการของแบต NiMH และสภาพการทำงาน โลหะผสมของขั้วไฟฟ้ากักเก็บไฮโดรเจนต้องเป็นไปตามข้อกำหนดพื้นฐานดังต่อไปนี้:
● ความสามารถในการกักเก็บไฮโดรเจนแบบพลิกกลับได้สูงและความดันแพลตฟอร์มการดูดซับ/การดูดซับที่เหมาะสม
● มีผลเร่งปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าที่ดีต่อการดูดซับและการคายไฮโดรเจน และมีความเสถียรทางเคมีไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมในอิเล็กโทรไลต์อัลคาไลน์
● จลนศาสตร์การชาร์จและการคายประจุที่ดี ซึ่งสามารถบรรลุการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูงและวงจรชีวิตที่ยาวนาน
● ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง
● ทรัพยากรมากมาย ราคาถูก และผลิตทางอุตสาหกรรมได้ง่าย

ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับการชาร์จแบตเตอรี่ NiMH

เอฟเฟกต์หน่วยความจำของแบต NiMH

แบตเตอรี่ NiMH มีผลหน่วยความจำเช่นเดียวกับแบตเตอรี่ Ni-Cd แต่มีขนาดเล็กกว่าแบตเตอรี่ Ni-Cd มาก ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องคายประจุแบตเตอรี่ทุกครั้งที่ชาร์จ (เพราะการทำงานที่ไม่เหมาะสมจะทำให้แบตเตอรี่เสียหาย) และจำเป็นต้องชาร์จและคายประจุจนเต็มทุกๆ 3 เดือนเพื่อลดผลกระทบจากหน่วยความจำ

อัตราการคายประจุแบต NiMH

แบตเตอรี่ NiMH อยู่ที่ 25-35% (เดือน) แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมอยู่ที่ 15-30% (เดือน) แบตเตอรี่ลิเธียม 2-5% (เดือน) แบต NiMH มีอัตราการคายประจุสูงสุด ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมมีอัตราการคายประจุต่ำมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่อีกสองประเภท

วิธีการชาร์จแบต NiMH

แบตเตอรี่ NiMH กับแบตเตอรี่ลิเธียมไม่ทนทานต่อการชาร์จมากเกินไป เหมือนกับชาร์จแบตเตอรี่มอเตอร์ไซค์เช่นกัน เมื่อชาร์จเต็ม ไม่สามารถชาร์จต่อไปจะได้ไม่รักษาแบตเตอรี่ ดังนั้น วิธีการควบคุม PICK CUT ของการชาร์จด้วยกระแสคงที่สำหรับแบต NiMH จึงเป็นวิธีการชาร์จที่ดีที่สุดที่จะหยุดการชาร์จเมื่อแรงดันการชาร์จถึงระดับสูงสุด แบตเตอรี่ลิเธียมชาร์จได้ดีที่สุดด้วยกระแสคงที่และแรงดันคงที่ หากชาร์จด้วยโหมดควบคุม DV เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ Ni-Cd จะส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบต NiMH และ ลิเธียมไออน

แบต NiMH ยิ่งมีความจุสูงยิ่งดีหรือไม่

แบตเตอรี่ประเภทต่างๆ ยิ่งความจุมาก อายุการใช้งานยิ่งนาน นอกจากปัจจัยด้านปริมาตรและน้ำหนักแล้ว แน่นอนว่ายิ่งความจุมากเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้น แต่แบตเตอรี่รุ่นเดียวกันมีความจุเล็กน้อยเท่ากัน (เช่น 600mAh) แต่ความจุเริ่มต้นที่วัดได้จริงจะแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น ก้อนหนึ่งคือ 660mAh และอีกก้อนหนึ่งคือ 605mAh 660mAh ดีกว่า 605mAh ไหม

สถานการณ์จริงอาจเป็นไปได้ว่าความจุสูงนั้นเกิดจากการที่วัสดุอิเล็กโทรดมีสิ่งต่างๆ มากขึ้น เพื่อเพิ่มความจุเริ่มต้น และสิ่งต่างๆ ที่ใช้ในการทำให้อิเล็กโทรดเสถียรลดลง แบตเตอรี่ยังแรงอยู่ ผู้ผลิตเซลล์หลายรายมักใช้วิธีนี้เพื่อให้ได้แบตเตอรี่ที่มีความจุสูง อย่างไรก็ตาม หลังจากใช้งานมาครึ่งปี เวลาสแตนด์บายก็ยุ่งเหยิง

แบตเตอรี่ AA NiMH เหล่านั้น (แบตเตอรี่ AAA) สำหรับการใช้งานพลเรือนโดยทั่วไปจะมีขนาด 1400mAh แต่ก็มีรุ่นที่มีความจุสูงเป็นพิเศษ (1600mAh) และเหตุผลก็เหมือนกัน

วิธีการชาร์จแบตเตอรี่ NiMH เป็นอย่างไร

เมื่อเราชาร์จแบตเตอรี่ ไม่ว่าเป็นชนิดใด ต้องให้ความสนใจกับความปลอดภัย มาดูกันว่าวิธีชาร์จแบต NiMH เป็นอย่างไร

วิธีการชาร์จอย่างถูกต้อง

● โดยทั่วไป แบต NiMH ใหม่มีพลังงานเพียงเล็กน้อย และต้องชาร์จก่อนใช้งานหลังการซื้อ
อย่างไรก็ตาม หากแบตเตอรี่จัดส่งมาเป็นระยะเวลาสั้นๆ และมีพลังงานเพียงพอ ขอแนะนำให้ใช้ก่อนทำการชาร์จ โดยทั่วไปแล้ว แบต NiMH ใหม่จะต้องชาร์จและใช้ 3-4 ครั้งก่อนที่จะสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

● แม้ว่าเอฟเฟกต์หน่วยความจำของแบต NiMH จะมีขนาดเล็ก แต่ควรชาร์จใหม่ทุกครั้งหลังการใช้งาน และควรชาร์จให้เต็มในครั้งเดียว อย่าชาร์จสักครู่ ใช้ไปสักพักแล้ว เติมเงิน นี่เป็นจุดสำคัญในการยืดอายุแบตเตอรี่

● เมื่อชาร์จ ให้ใส่ใจกับการกระจายความร้อนรอบๆ ที่ชาร์จ รักษาความสะอาดของแบตเตอรี่เมื่อไม่ได้ใช้งาน โดยเฉพาะหน้าสัมผัสที่ปลายทั้งสองด้าน และเช็ดเบาๆ ด้วยผ้าแห้งเนื้อนุ่มหากจำเป็น หากไม่ได้ใช้งานเป็นเวลานาน ให้นำแบตเตอรี่ออกจากช่องใส่แบตเตอรี่และวางไว้ในที่แห้ง

● แบตเตอรี่ NiMH จะเข้าสู่สถานะ “สลีป” หลังจากเก็บไว้เป็นเวลาหลายเดือน และอายุการใช้งานของแบตเตอรี่จะลดลงอย่างมาก หากใส่แบต NiMH เป็นเวลานาน ขอแนะนำให้ชาร์จแบตเตอรี่ก่อนด้วยเครื่องชาร์จแบบช้า โดยทั่วไป แรงดันไฟฟ้าของแบต NiMH จะต่ำกว่า 1.2V ก่อนทำการชาร์จ และแรงดันปกติจะอยู่ที่ประมาณ 1.4V หลังจากชาร์จเต็มแล้ว ด้วยวิธีนี้ คุณสามารถตัดสินได้ว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้วหรือไม่