แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไร

เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ชนิดอื่น ๆ ที่ถูกคิดค้นและพัฒนามาอย่างยาวนานกว่า 100 ปี อย่างแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด หรือไม่ก็แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต (LiFePO4) กลับมีประวัติความเป็นมาที่ไม่ยาวนานมากนัก โดยถูกพัฒนาขึ้นเป็นครั้งแรกในราว ๆ ปี พ.ศ. 2533 เป็นต้นมา เพื่อให้เป็นตัวเลือกแทนแบตเตอรี่ชนิดอื่น ๆ ที่มีโคบอลต์หรือนิกเกิลเป็นส่วนประกอบ ซึ่งมีราคาสูงและอาจเป็นอันตรายต่อผู้ใช้และสิ่งแวดล้อม

เรได้ความรู้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตเป็นชนิดหนึ่งของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยผ่านบทความแบตเตอรี่ลิเธียมมีกี่ชนิด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไร เราอาจไม่คุ้นเคยแบตเตอรี่ชนินี้แต่ก็มีใช้อยู่ในชีวิตของเรา บทความต่อไปนี้จะแนะนำอย่างรายละเอียดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต หลักการทำงานเป็นอย่างไร มีข้อดีอะไรบ้าง เป็นต้น

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไร

ในปีพ.ศ. 2539 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเท็กซัส ออสติน ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรสำหรับวัสดุที่ใช้สำหรับทำขั้วบวกของแบตเตอรี่ที่ทำจากไออนฟอสเฟต ซึ่งมีความเสถียร ปลอดภัย และราคาต่ำกว่าวัสดุชนิดอื่น ๆ และหลังจากนั้นก็ได้มีบริษัทหลายแห่งเริ่มพัฒนา และสร้างธุรกิจที่เกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตสำหรับการใช้งานต่าง ๆ เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า ระบบสำรองไฟฟ้า และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา เป็นต้น

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตเป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จใหม่ได้ ประกอบไปด้วยขั้วบวก (แคโทด/Cathode) ซึ่งเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชัน (Reduction) หรือขั้วที่อิเล็กตรอนไหลเข้าหา และขั้วลบ (แอโนด/Anode) ซึ่งเป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) หรือขั้วที่อิเล็กตรอนไหลออก โดยวัสดุที่ใช้สำหรับทำขั้วบวกของแบตเตอรี่ชนิดนี้ก็คือลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePO4) นั่นเอง ส่วนขั้วลบจะทำมาจากแกรไฟต์ หรือวัสดุอื่น ๆ ที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบ

หลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต

ก่อนที่เรียนรู้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไร ต้องมาศึกษาหลักการทำงานของแบตเตอรี่ก่อน แบตเตอรี่ชนิดนี้จะทำงานโดยอาศัยหลักการทางไฟฟ้าเคมี (Electrochemistry) ซึ่งเป็นการเคลื่อนย้ายของประจุลิเธียมไออนไปมาระหว่างขั้วบวกและขั้วลบในขณะที่มีการชาร์จหรือปล่อยกระแสไฟฟ้า เมื่อมีการชาร์จแบตเตอรี่ ไฟฟ้าจะเข้าไปทำปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่ ทำให้เกิดการบังคับให้ประจุลิเธียมไอออนให้ไหลออกมาผ่านอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) หรือสารละลายที่นำไฟฟ้าได้

หลังจากนั้นจะผ่านแผ่นกั้น (Separator) ในแบตเตอรี่และเข้าไปสอดตัวอยู่ในโครงสร้างของวัสดุที่ใช้ทำขั้วแอโนด ซึ่งผลของปฏิกิริยานี้จะทำให้วัสดุที่ใช้ทำขั้วแคโทด และแอโนดอยู่ในสภาวะที่ไม่เสถียร ในขณะที่มีการใช้งานหรือการคายประจุ ปฏิกิริยาเคมีของแบตเตอรี่จะสามารถเกิดขึ้นได้เอง ซึ่งจะทำให้ระบบเสถียรขึ้นอีกครั้ง และเมื่อใดก็ตามที่ประจุลิเธียมไออออนไหลกลับไปที่เดิมหมด แสดงว่าปฏิกิริยาสิ้นสุดหรือถ่านหมด และต้องทำการชาร์จใหม่นั่นเอง

ข้อดีและคุณสมบัติของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต

มาดูกันว่าข้อดีและคุณสมบัติของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตมีอะไรบ้าง จะได้ช้วยคุณเข้าใจแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไรให้มากยิ่งขึ้น
● อายุการใช้งานยาวนาน วงจรชีวิตสามารถเข้าถึง 4000 ครั้งขึ้นไป
● ความปลอดภัย ลิเธียมไอรอนฟอสเฟตผ่านการทดสอบความปลอดภัยอย่างเข้มงวดและจะไม่ระเบิดง่าย
●ทนต่ออุณหภูมิสูงได้ดี ช่วงอุณหภูมิการทำงานกว้าง (-20℃-70℃)
● ขนาดเล็กและน้ำหนักเบา
● เป็นมิตต่อสิ่งแวดล้อม ไม่มีโลหะหนักใดๆ
● ไม่มีผลหน่วยความจำ สามารถชาร์จและคายประจุได้ตลอดเวลา

คุณสมบัติ:
●ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูงที่แข็งแกร่ง ประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิต่าไม่ดี (-20°C~70°C)
● ประสิทธิภาพความปลอดภัยสูง ไม่ระเบิดแม้ชนรุนแรง

ข้อแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรดกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต

ข้อแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไร มีข้อแตกต่างอย่างไรเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาค

จึงสรุปได้ว่า เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตและแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาค ความหนาแน่นของพลังงานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคจะมากกว่าของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต และสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต ยิ่งไปกว่านั้น แรงดันแบตเตอรี่ของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคนั้นสูงกว่า ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมแบบไตรภาคจึงกลายเป็นแหล่งพลังงานของอุปกรณ์ส่วนใหญ่

วิธีการรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต

เราไม่เพียงแต่เรียนรู้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไร ยังต้องการรู้ว่าจะรักษาแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตอย่างไรจะได้ลดค่าบำรุงรักษาด้วย หากต้องการการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟส ให้ใช้งานได้ยาวนานและยังคงการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพควรคำนึงถึงสิ่งต่อไปนี้

เก็บแบตเตอรี่ในอุณหภูมิที่เหมาะสม : ควรเก็บแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟสไว้ที่แห้งและเย็นอุณหภูมิประมาณ 20-25 องศาเซียลเซียสและควรหลีกเลี่ยงบริเวณที่มีอุณภูมิสูงเนื่องจาก LFP แบตเตอรี่ไวต่ออุณหภูมิสูงและเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูง เช่น การสัมผัสโดยตรงจากแสงแดด

ชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่อย่างถูกต้อง : การชาร์จแบตเตอรี่มากเกินไปหรือคายประจุแบตเตอรี่มากเกินไปส่งผลทำให้เซลล์ภายในแบตเตอรี่เกิดความเสียหาย โดยควรชาร์จหรือคายประจุให้อยู่ในช่วงต่ำกว่า 0.5C ช่วงที่แนะนำคือ 0.2C ไม่ควรใช้แบตเตอรี่จนหมดเกลี้ยง ควรชาร์จแบตเตอรี่อย่างสม่ำเสมอ เนื่องจากการชาร์จบ่อยไม่ส่งผลต่ออายุการใช้งานและประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่

ใช้ระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System: BMS) : BMS มีหน้าที่ช่วยป้องกันความเสียหายที่อาจเกิดจากแบตเตอรี่ โดยทำหน้าที่ตัดไฟจากวงจรที่มาการชาร์จหรือคายประจุด้วยกระแสที่เกิดกว่า BMS รับได้ ซึ่งการติดตั้ง BMS จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการชาร์และคายประจุของ LFP แบตเตอรี่และป้องกันการชาร์จและคายประจุที่มากเกินไป

ปัจจัยใดบ้างที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟต

ปัจจัยที่ควรพิจารณาเมื่อต้องการเลือกใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟสมีหลายปัจจัย ประกอบด้วย ความจุของแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้า อายุการใช้งาน DOD และการวิเคราะห์ความคุ้มค่า

ความจุของแบตเตอรี่ (capacity) : ความจุเป็นปัจจัยหลักที่ควรพิจารณาเนื่องจากความจุของแบตเตอรี่แสดงถึงปริมาณของพลังงานที่แบตเตอรี่สามารถเก็บได้ (วัตต์) ต่อระยะเวลา (ชั่วโมง) ซึ่งเป็นตัวบ่งบอกถึงระยะเวลาในการใช้งานโดยแบตเตอรี่ LFP สามารถใช้งานได้ 90% ของความจุจริง

แรงดันไฟฟ้า (Voltage) : แรงดันไฟฟ้าของก้อนแบตเตอรี่มีความสำคัญเนื่องจากเป็นตัวกำหนดความสามาถในการใช้งาน ควรพิจารณาแรงดันไฟฟ้าและอินเวอร์เตอร์ ซึ่งทั้งสองส่วนนี้ควรค่าท่าตรงกัน หากทั้งสองส่วนนี้ไม่สอดคล้องกันจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่

อายุการใช้งาน (Cycle Life) : อีกปัจจัยสำคัญต่อการเลือกใช้แบตเตอรี่ LFP คืออายุการใช้งานเนื่องจากอายุการใช้งานจะเป็นตัวกำหนดจำนวนครั้งที่แบตเตอรี่สามารถทำการชาร์จและคายประจุ โดยการพิจารณาอายุการใช้งานมีความสำคัญต่อการตัดสินใจเลือกแบตเตอรี่ให้เหมาะสมกับความต้องการใช้งาน

Depth of Discharge (DOD) : DOD คือ เปอร์เซ็นต์ของแบตเตอรี่ที่ถูกใช้ไปเมื่อเทียบกับความจุของแบตเตอรี่ทั้งหมด โดยมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพการใช้งานและขนาดของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่ LFP ส่วนใหญ่มีค่า DOD อยู่ที่ 80% – 95% การทราบค่า DOD ทำให้ผู้ใช้งานสามารถนำไปพิจารณาและออกแบบแบตเตอรี่ให้มีเหมาะสมต่อการใช้งานด้านพลังงานได้ตรงตามความต้องการ

การวิเคราะห์ความคุ้มค่า : ราคา เป็นปัจจัยหลักในตัดสินใจเลือกใช้แบตเตอรี่ LFP ของผู้ใช้งานส่วนใหญ่ ซึ่งปัจจัยสำคัญที่สำคัญกว่าคือควรพิจารณาที่ความคุ้มค่า แบตเตอรี่แบบตะกัวกรด เป็นตัวเลือกที่มีราคาถูกกว่าในตลาดปัจจุบัน แต่หากมองในแง่ของความคุ้ค่า แบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรดมีอายุการใช้งานเพียง 1 ใน 10 ของแบตเตอรี่ LFP เท่านั้น ในขณะที่แบตเตอรี่ LFP สามารถใช้งานได้ยาวนานมากกว่าถึง 10 ปี

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตสามารถใช้แทนแบตเตอรี่กรดตะกั่วได้หรือไม่

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟส มีคุณสมบัติเด่นคือ มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่ LFP มีอายุการใช้งานประมาณ 4000 cycle ด้วยคุณสมบัติด้านอุณพลศาสตร์และความเสรียรของตัววัสดุทำให้มีความร้อนต่ำ ให้พลังงานสูง สม่ำเสมอและชาร์จประจุไฟฟ้าได้เร็วโดยใช้เวลาประมาณ 3-4 ชั่วโมงเท่านั้น

แบตเตอรี่ LFP หนึ่งเซลล์มีแรงดันไฟฟ้าประมาณ 3.2V สามารถรวมกันเป็นระบบแบตเตอรี่ 12v/24v/48v โดยการเชื่อมต่อแบบอนุกรมและแบบขนาน จากหลักการนี้แน่นอนว่าแบตเตอรี่แบบ LFP สามารถใช้ทดแทนแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด หรือ แบบ deep cycle ได้เป็นอย่างดีทั้งในเรื่องของการใช้งานและความคุ้มค่า

โดยทั่วไปแล้วแรงดันไฟฟ้าแต่ละขนาดมีการนำไปใช้งานคร่าวๆดังนี้
12V : สามารถใช้กับอุปกรณ์ประเภทหลอดไฟ อุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ และ ระบบกักเก็บพลังงานขนาดเล็ก
24V : ใช้กับเครื่องยนต์สำหรับเรือเล็ก ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ภายในบ้านแบบเคลื่อนที่ และรถจักรยายนต์ไฟฟ้า
48V : ใช้กับระบบสำรองไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ภายในบ้าน (Home Solar Battery) การสำรองข้อมูล (Data Backup) หรือ รถบ้าน เป็นต้น

รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตหรือไม่

บทความข้างต้นแนะนำถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตคืออะไรได้อย่างชัดเจน ปกติ รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนฟอสเฟตหรือไม่ ปัจจุบันคนส่วนใหญ่หันมาสนใจ และให้ความสำคัญกับเรื่องปัญหาสิ่งแวดล้อม การลดมลพิษทางเสียง ทางอาการ รวมถึงการปล่อยก๊าซเรือนกระจกสู่ชั้นบรรยากาศ ซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ที่โลกกำลังเผชิญอยู่ และกำลังเข้าสู่ขั้นวิกฤติของสิ่งแวดล้อม จึงตระหนักในเรื่องการใช้เชื้อเพลิงมากขึ้น

จักรยานยนต์ไฟฟ้า (Electric Motorcycles) เป็นยานภาหนะพลังงานไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานสะอาด ซึ่งใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานในการขับเคลื่อนแทนการใช้น้ำมัน โดยจักรยานยนต์ไฟฟ้าถูกพูดถึงและได้รับความสนใจอย่างมากในปัจจุบัน โดยรถจักรยานยนต์ไฟฟ้ามีข้อดีหลายประการ

ลดมลภาวะทางอากาศและฝุ่นควัน : 51% ของก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) บนโลกเกิดจากควันของท่อไอเสียของรถบนท้องถนนซึ่งใช้พลังงานเชื้อเพลิงในการขับเคลื่อน รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าสามารถช่วยลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน (Carbon) โดยรถไฟฟ้า 1 คันสามาถลดปริมาณก๊าซคาร์บอนได้ 1500ตัน หรือเท่ากับ ต้นไม่ 45 ต้น

ประหยัดมากว่ามอเตอร์ไซค์พลังงานเชื้อเพลิง : ค่าใช้จ่ายรายวันที่ลดลง: ราคาน้ำมันมักจะแพงกว่าค่าไฟฟ้ามาก และรถจักรยานยนต์แบบดั้งเดิมต้องเติมน้ำมันเป็นประจำ ซึ่งไม่ใช่ค่าใช้จ่ายเล็กน้อย และในบางประเทศและภูมิภาค การซื้อรถจักรยานยนต์ไฟฟ้าสามารถขอรับเงินชดเชยได้

ลดมลภาวะทางเสียง : เนื่องจากรถจักยยานยนต์ไฟฟ้า ไม่มี่อไอเสีย การทำงานของตัวมอเตอร์ค่อนข้างเงียบ ทำให้ไม่เกิดเสียงรบกวนที่ก่อให้เกิดเป็นมลพิษทางเสียงกระทบต่อผู้ร่วมทางบนท้องถนน

ขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือวัสดุลิเธียมเหล็กฟอสเฟตซึ่งมีข้อดีอย่างมากในด้านประสิทธิภาพความปลอดภัยและอายุการใช้งาน มันไม่ง่ายที่จะเผาไหม้และระเบิดเมื่อชาร์จมากเกินไป และมีข้อดีคือไม่เป็นพิษ ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ แหล่งวัตถุดิบมากมาย ราคาถูก และอายุการใช้งานยาวนาน วัสดุขั้วบวกลิเธียมเหล็กฟอสเฟตทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความจุสูงใช้งานในแบบอนุกรมได้ง่ายขึ้น เป็นวัสดุขั้วบวกที่เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนรุ่นใหม่

ข้อกำหนดที่สำคัญของแบตเตอรี่รถจักรยานยนต์ประกอบด้วย

ความจุ : ความจุของแบตเตอรี่ต้องเพียงพอต่อการใช้สตาร์ทและจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่าง ๆ ภายในเครื่องยนต์
แรงดันไฟฟ้า : รถจักรยานยนต์ไฟฟ้าแต่ละรุ่นมีข้อกำหนดและและระบบไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จึงควรตรงกับข้อกำหนดทั้งหมด

ขนาด : ขนาดของแบตเตอรี่ต้องพอดีกับช่องใส่แบตเตอรี่ที่กำหนด
ความทนทาน : แบตเตอรี่ต้องสามารถทนต่อแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทกจากการใช้งานรถจักรยานยนต์ทั่วไปได้
การบำรุงรักษา : การบำรุงรักษาต้องทำได้ง่าย ไม่ยุ่งยากและไม่ต้องบำรุงรักษา
ความเชื่อถือได้ : แบตเตอรี่ต้องเชื่อถือได้มีอายุการใช้งานที่ยาวนานไม่เกิดอันตรายระหว่างใช้งาน