แบตเตอรี่ Ni-MH กับ Ni-Cd แบบชาร์จใหม่ได้ (Rechargeable)

เกี่ยวกับแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใหม่ได้ (rechargeable) ที่ได้รับการพัฒนาให้มีความจุพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่กรดต ะกั่วที่ใช้กันมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1859 จนถึงปัจจุบัน พัฒนาการของแบตเตอรี่ยุคหลังมักอาศัยสารประกอบของโลหะประเ ภทอื่นที่ไม่ใช่ตะกั่ว เพื่อลดน้ำหนักของแบตเตอรี่ในขณะที่มีความจุไฟฟ้ามากกว่าเ ดิม เช่น แบตเตอรี่ในกลุ่มสารประกอบโลหะนิกเกิล หรือแบตเตอรี่ในกลุ่มสารประกอบลิเทียม เป็นต้น บทความนี้จะเน้นแบตเตอรี่ในกลุ่มโลหะและสารประกอบโลหะนิกเ กิลรู้จักแบตเตอรี่

ถาม : แบตเตอรี่นิกเกิลมีกี่ประเภท

ตอบ : แบตเตอรี่ในกลุ่มนี้ที่ใช้กันมากมี 5 ประเภทดังนี้ (ประเภทที่ 1 และ 2 มีใช้มากกว่าประเภทอื่น)

1. แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม (Nickel-Cadmium, Ni-Cd หรือ NiCadTM)[1] ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป เช่น ไฟฉายฉุกเฉิน แฟลชสำหรับกล้องถ่ายรูปอุปกรณ์และเครื่องมือช่างแบบไร้สาย
2. แบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮไดร์ด (Nickel-metal hybrid, Ni-MH)[2] ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป เช่น อุปกรณ์สื่อสารแบบไร้สาย หน่วยสำรองไฟฟ้า (UPS) สำหรับสถานีส่ง คลื่นโทรศัพท์และโทรทัศน์ และรถยนต์ไฟฟ้า
3. แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก (Nickel-iron, Ni-Fe) หรือแบตเตอรี่เอดิสัน (Edison Battery) ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป และรถยนต์ไฟฟ้า[3]
4. แบตเตอรี่นิกเกิล-สังกะสี (Nickel-Zinc, Ni-Zn) ใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป กล้องถ่ายรูป อุปกรณ์ และเครื่องมือช่างแบบไร้สาย
5. แบตเตอรี่นิกเกิล-ไฮโดรเจน (Nickel-Hydrogen, Ni-H2) ใช้งานในอวกาศ เช่น ดาวเทียม

1 NiCad ที่ใช้เรียกแบตเตอรี่ NiCd แท้จริงแล้วเป็นเครื่องหมายการค้าของ SAFT Corporation
2 แบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดร์ดที่ใช้กับรถยนต์ไฮบริด โตโยต้า พรีอุส (Toyota Prius) มีสารประกอบของโลหะ หายาก ได้แก่ แลนทานัม (La) นีโอดิเมียม (Nd) เพรซีโอดิเมียม (Pr) และซาแมเรียม (Sm) มากที่สุดในโลก โดยรถรุ่นนี้ หนึ่งคันอาจมีธาตุโลหะหายากอยู่ถึง 10-48 กิโลกรัมเลยทีเดียว! [1]
3 ใน ค.ศ. 1899 วาล์เดอมาร์ ยังเนอร์ (Waldemar Jungner) นักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดนผู้คิดค้นแบตเตอรี่ Ni-Cd ยัง คิดค้นแบตเตอรี่ Ni-Fe ด้วย แต่การใช้งานไม่แพร่หลาย จนกระทั่งเอดิสัน (Thomas Edison) ได้พัฒนา และนำมาใช้เป็นแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าสมัยแรกๆ เพราะมีความจุพลังงานมากเป็นสองเท่า แต่ใช้เวลาชาร์จไฟน้อยกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วสองเท่า [2]

ภาพที่ 1 แบตเตอรี่นิกเกิลประเภทต่างๆ

ภาพที่ 2 แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็กหรือแบตเตอรี่เอดิสันที่ใช้ในรถไฟฟ ้ายุคแรกๆ แทนแบตเตอรี่กรดตะกั่ว

ตารางที่ 1 แสดงวัสดุและค่าความต่างศักย์ของเซลล์แบตเตอรี่นิกเกิลชนิ ดต่างๆ 

ตารางที่ 2 เปรียบเทียบสมบัติของแบตเตอรี่นิกเกิลประเภทต่างๆ (ดัดแปลงมาจากเอกสารอ้างอิง 3) 

ถาม : เหตุใดจึงไม่ค่อยพบแบตเตอรี่ประเภท Ni-Cd ในปัจจุบัน

ตอบ : บทความตอนที่ 2 ได้นำเสนอตลาดของแบตเตอรี่ Ni-Cd ว่ามีมูลค่าต่ำกว่า 2% ของแบตเตอรี่ ใหม่ทั้งหมดและมีปริมาณการใช้งานลดลงอย่างต่ อเนื่อง ทั้งนี้เพราะความเป็นพิษของแคดเมียมที่ส่งผลต่อร่างกายหาก ได้รับเข้าไปในปริมาณมาก เด็กที่ได้รับสารแคดเมียมมากเกินไปจะส่งผลต่อพัฒนาการทางส มอง ส่วนผู้ใหญ่ทำให้เป็นโรคอิไต-อิไต (itai-itai) ซึ่งมีอาการผิดปกติต่างๆ ได้แก่ กระดูกอ่อน ไตและตับถูกทำลาย สายตาบกพร่อง เป็นมะเร็ง และการเจริญพันธุ์บกพร่อง (เป็นหมัน)สหภาพยุโรปจึงบังคับใช้ EU Batteries Directive 2006/66/EC กล่าวคือ ห้ามใช้แบตเตอรี่ที่มีส่วนประกอบของแคดเมียมมากกว่า 0.002% ตั้งแต่ ค.ศ. 2006 ยกเว้นแบตเตอรี่ที่ใช้กับไฟและสัญญาณฉุกเฉิน อุปกรณ์การแพทย์ และอุปกรณ์และเครื่องมือช่างแบบไร้สาย และกำลังร่างระเบียบห้ามใช้งานแบตเตอรี่ Ni-Cd เพิ่มเติมสำหรับอุปกรณ์และเครื่องมือช่างแบบไร้สาย ซึ่งคาดว่าจะห้ามใช้ภายใน ค.ศ. 2016 [4]

ภาพที่ 4 แบตเตอรี่ประเภท Ni-Cd อาจเกิดพิษสู่ร่างกาย

เนื่องจากแคดเมียมเป็นพิษจึงมีการคิดค้นแบตเตอรี่ประเภทอื ่น เช่น Ni-MH มาทดแทน นับตั้งแต่ ค.ศ. 1990 ที่แบตเตอรี่ Ni-MH เข้าสู่ตลาด [5] ปริมาณการใช้แบตเตอรี่ Ni-Cd ก็ลดลงมาก ส่วนประเทศไทยยังไม่มีการห้ามนำเข้าและใช้งานแบ ตเตอรี่ Ni-Cd จึงยังพอเห็นบ้าง แต่ก็ลดน้อยลงตามแนวโน้มของโลกที่ใช้และผลิตน้อยลง

ภาพที่ 4 สถิติมูลค่าของแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟใหม่ได้ประเภท Ni-Cd, Ni-MH และ Li-ion โดย ค.ศ. 2008-2009 เป็นการคาดการณ์

ถาม : แบตเตอรี่ Ni-MH และ Ni-Cd แตกต่างกันอย่างไร ถ้าเปลี่ยนมาใช้แบตเตอรี่ Ni-MH แทน Ni-Cd ได้หรือไม่

ตอบ : แบตเตอรี่ Ni-MH นอกจากจะมีความเป็นพิษน้อยกว่าแบตเตอรี่ Ni-Cd ที่น้ำหนักเท่ากันแล้ว ยังมีความจุไฟฟ้าสูงกว่าประมาณร้อยละ 30 ด้วย อย่างไรก็ดี แม้แบตเตอรี่สองประเภทนี้จะมีแรงดันเท่ากัน แต่แบตเตอรี่ Ni-MH บางแบบไม่สามารถให้กระแสไฟในอัตราที่สูงเท่าแบตเตอรี่ Ni-Cd (น้อยกว่าประมาณ 4 เท่า) ทำให้กำลังไฟฟ้าอาจไม่พอสำหรับอุปกรณ์ที่เคยใช้แบตเตอรี่ Ni-Cd มาก่อน อีกทั้งอาจมีอายุการใช้งานสั้นกว่าประมาณ 3 เท่า และมีอัตราการสูญเสียประจุขณะ ไม่ได้ใช้งาน (self discharge) มากกว่าถึงเท่าตัว ทำให้ค่าใช้จ่ายในการใช้งานแบตเตอรี่ Ni-MH ตลอดอายุการใช้งานสูงกว่าแบตเตอรี่ Ni-Cd ประมาณ 3 ถึง 4 เท่า นอกจากนี้ แบตเตอรี่ทั้งสองยังมีอัตราการชาร์จไฟที่แตกต่างกันทำให้ไ ม่สามารถใช้เครื่องชาร์จชนิดเดียวกันได้ กล่าวคือแบตเตอรี่ Ni-MH ไม่สามารถรับกระแสครั้งละมากๆ เท่าแบตเตอรี่ Ni-Cd จึงต้องใช้เครื่องชาร์จที่ใช้เวลานานกว่า [6] การที่แบตเตอรี่ Ni-MH ไม่มีสมบัติที่สามารถทดแทนแบตเตอรี่ Ni-Cd ได้ทั้งหมดจึงไม่แนะนำให้ใช้แบตเตอรี่ Ni-MH แทนแบตเตอรี่ Ni-Cd ในเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดเดียวกัน กล่าวคือ ถ้าจะใช้แบตเตอรี่ Ni-MH ก็จำเป็นต้องออกแบบอุปกรณ์ใหม่ให้เหมาะสม ส่วนการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟฟ้าสูง เช่น เครื่องมือช่างแบบไร้สาย หรือไฟฉุกเฉินก็ยังคงใช้แบตเตอรี่ Ni-Cd อยู่บ้าง แม้จะมีการออกแบบอุปกรณ์สมัยใหม่ให้ใช้แบตเตอรี่ลิเทียมไอ ออนแทนแบตเตอรี่ Ni-Cd แล้วก็ตาม

ถาม : แบตเตอรี่ Ni-Cd และ Ni-MH หมดเร็วทั้งๆ ที่ชาร์จไฟไว้เต็มตลอด และมักอธิบายว่า เนื่องจากแบตเตอรี่พวกนี้มี “ความจำ” หมายความว่าอย่างไร?

ตอบ : แบตเตอรี่ประเภทนิกเกิลอาจหมดเร็วทั้งที่ชาร์จเต็มอยู่ตลอ ด ซึ่งพบบ่อยกับการใช้งานในครัวเรือนเนื่องจากมักนำแบตเตอรี ่ที่ยังใช้ไม่หมดไปชาร์จไฟก่อน ยกเว้นในอุปกรณ์บางประเภท และที่ว่ากันว่าแบตเตอรี่มี “ความจำ” ตามที่เข้าใจกันทั่วไปนั้นหมายความว่า แบตเตอรี่จำได้ว่าครั้งก่อนได้ให้พลังงานไปเท่าไร ครั้งต่อมาก็จะเปลี่ยนสภาพตัวเองให้มีความจุเท่าที่เคยใช้ ไป ในภาษาอังกฤษ เรียกพฤติกรรมนี้ว่า Memory Effect ซึ่งเกิดขึ้นจริงในแบตเตอรี่ประเภทนิกเกิล พฤติกรรมนี้เกิดจากความจุพลังงานของแบตเตอรี่ถูกจำกัดโดยร ะดับไฟในแบตเตอรี่ที่เหลืออยู่ก่อนที่จะชาร์จไฟกล่าวคือ ความจุจะเหลือเพียงระดับที่ใช้ไปก่อนการชาร์จไฟเท่านั้น ดังนั้น หากไม่ได้ใช้งานจนใกล้หมดอยู่เป็นประจำจะทำให้ดูเหมือนว่า ความจุของแบตเตอรี่ลดลงกว่าเดิมมาก

ถาม : สาเหตุที่ทำให้แบตเตอรี่มี “ความจำ” ที่ไม่พึงประสงค์คืออะไร สามารถป้องกันหรือแก้ไขได้หรือไม่?

ตอบ : สาเหตุที่แบตเตอรี่มี “ความจำ” ที่ไม่พึงประสงค์เกิดจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของ ขั้วบวกและขั้วลบในส่วนที่ไม่ถูกใช้งานเป็นระยะเวลานาน โดยปกติขนาดของผลึกที่ขั้วจะมีขนาดเล็กทำให้มีพื้นผิวโดยร วมที่จะทำปฏิกิริยาให้เกิดไฟฟ้านั้นมาก การที่ส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่ไม่ได้ถูกใช้งานก่อนการชาร์จไ ฟจะเกิดการโตของเกรนทำให้ขนาดผลึกใหญ่ขึ้นส่งผลให้พื้นผิว โดยรวมของขั้วลดลง การเกิดปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดไฟฟ้ายากขึ้นเนื่องจากมีควา มต้านทานทางไฟฟ้าสูงขึ้น และเกิดการเสื่อมสมรรถนะของแบตเตอรี่ส่วนนั้นในที่สุดการป ้องกันไม่ให้แบตเตอรี่เกิด Memory Effect คือ ไม่ควรใช้แบตเตอรี่ไปชาร์จไฟไป ควรใช้แบตเตอรี่จนหมด หากทำเช่นนี้ไม่ได้ทุกครั้งก็ให้ใช้แบตเตอรี่จนหมดอย่างน้ อยเดือนละครั้ง เพื่อให้ขนาดของผลึกในขั้วบวกคงสภาพที่ใกล้เคียงเดิม ส่วนวิธีแก้ไขที่นิยมคือ อาศัยอุปกรณ์ที่สามารถดึงกระแสไฟจนแบตเตอรี่มีศักย์ไฟฟ้าท ี่ต่ำกว่าปกติ หรือประมาณ 0.4-0.6 โวลต์ต่อเซลล์เพื่อให้ผลึกใหญ่ที่เกิดที่ขั้วนั้นแตกตัวแล ะมีขนาดเล็กลง ปัจจุบันมีการพัฒนาเพื่อลดการเกิด MemoryEffect ในแบตเตอรี่ประเภท Ni-MH โดยบริษัทซันโย/พานาโซนิค (Sanyo/Panasonic) ภายใต้ยี่ห้อ Eneloop [7]

ภาพที่ 5 สาเหตุ “ความจำ” ที่ไม่พึงประสงค์ของแบตเตอรี่ประเภทนิกเกิลและวิธีการแก้ไ ข

เอกสารอ้างอิง
1. Tim Folger, “The Secret Ingredients to Everything”, National Geographic Magazine, June 2011.
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel–iron_battery
3. Linden’s Handbook of Batteries 4th edition, ed. T.B. Reddy, McGraw-Hill, 2011 pp. 15.10-15.11
4. OJ L 266, 26.9.2006, p. 1., as last amended by Directive 2008/103/EC (OJ L 327, 5.12.2008, p. 7–8)
5. https://www.batteryuniversity.com
6. https://www.servocity.com/html/nicad_vs__nimh_batteries.html#.VOG8qS4po2I
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Eneloop

ภาพประกอบ
แบตเตอรี่นิกเกิลประเภทต่างๆ
http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel–cadmium_battery
http://powerupplus.cdu.edu.au/textImages/digcamera3.html
http://www.hi-tronics.ca/shop/batteries/aa-nickel-zinc-nizn-rechargeble-battery/
http://global.rakuten.com/en/store/mutsuura/item/10259881/
http://ironedison.com/iron-edison-usa-series-nickel-iron-nife-battery

แบตเตอรี่เอดิสัน:
http://blogs.wsj.com/ideas-market/2012/07/02/edisons-battery-reborn/
http://electrical4u.com/nickel-iron-batteries-or-edison-batteries/

อันตรายของแคดเมียม:
http://media.cleveland.com/world_impact/photo/cadmium-hazardjpg-417b5d675d1518db.jpg
สัดส่วนตลาดแบตเตอรี่ Ni-Cd, Ni-MH และ ลิเทียมไอออน:
http://static.seekingalpha.com/uploads/2008/11/20/saupload_hai_bb_chart2.png

Memory Effect:
http://www.nipron.com/product_info/encyclopedia/5_3.htm