แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก หรือ แบตเตอรี่เอดิสัน หลักการทำงานและคุณลักษณะ
แบตเตอรี่แบตเตอรี่ แบบใดที่ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อย ๆ เนื่องจากมีโอกาสในการพัฒนาให้กลายเป็นแบตเตอรี่ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูงสำหรับยานพาหนะไฟฟ้า? คำตอบคือ แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก หรือ แบตเตอรี่เอ็ดดิสัน ด้วยคำเดียว แบตเตอรี่ Ni-Fe เป็นแบตเตอรี่ที่ทนทานมาก แบตเตอรี่ชนิดนี้มีความทนทานต่อการชาร์จเกิน การปล่อยประจุเกิน และการป้อนวงจรลัดวงจร ฯลฯ แบตเตอรี่นี้สามารถทำงานได้ดีแม้ว่าจะไม่ได้ชาร์จแบตเตอรี่เป็นเวลานาน โดยเนื่องจากน้ำหนักของแบตเตอรี่นี้มาก จึงใช้ในแอปพลิเคชันที่น้ำหนักแบตเตอรี่ไม่สำคัญ เช่น ในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ระบบพลังงานแสงอาทิตย์ หรือในระบบพลังงานลมระบบพลังงานลม เป็นต้น สำหรับการสำรองไฟฟ้า ความทนทานและอายุการใช้งานของเซลล์นิกเกิล-เหล็กสูงกว่าแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบตเตอรี่กรดตะกั่ว แต่ยังคงเสียความนิยมเนื่องจากค่าใช้จ่ายในการผลิตที่สูง
มาดูคุณสมบัติเฉพาะบางประการของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก (Ni-Fe) หรือแบตเตอรี่เอ็ดดิสันกัน
แบตเตอรี่นี้สามารถส่งมอบพลังงานได้ 30 ถึง 50 กิโลวัตต์ต่อน้ำหนัก 1 กิโลกรัม การชาร์จมีประสิทธิภาพประมาณ 65% หมายความว่า 65% ของพลังงานไฟฟ้าที่ใส่เข้าไปจะถูกเก็บไว้ในแบตเตอรี่เป็นพลังงานเคมีระหว่างกระบวนการชาร์จ ประสิทธิภาพในการปล่อยประจุมีประมาณ 85% หมายความว่าแบตเตอรี่สามารถส่งมอบ 85% ของพลังงานที่เก็บไว้ให้กับโหลดเป็นพลังงานไฟฟ้า ส่วนที่เหลือจะปล่อยออกเนื่องจากการปล่อยประจุเองของแบตเตอรี่ หากแบตเตอรี่ไม่ได้ใช้งานนาน 30 วัน จะสูญเสียพลังงานที่เก็บไว้เพียง 10% ถึง 15% เนื่องจากการปล่อยประจุเอง แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็กมีอายุการใช้งานยาวนานมาก ประมาณ 30 ถึง 100 ปี ซึ่งยาวนานกว่าอายุการใช้งานปกติของแบตเตอรี่กรดตะกั่วแบตเตอรี่กรดตะกั่ว ซึ่งประมาณ 10 ปี แรงดันไฟฟ้าตามมาตรฐานต่อเซลล์นิกเกิล-เหล็กคือ 1.4 โวลต์
แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก
องค์ประกอบพื้นฐานที่ใช้ในแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก ได้แก่นิกเกิลไฮดรอกไซด์เป็นขั้วบวก เหล็กเป็นขั้วลบ และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์เป็นสารละลายไฟฟ้า เราเพิ่มนิกเกิลซัลเฟตและเฟอรัสซัลไฟด์เข้าไปในวัสดุที่มีฤทธิ์
การสร้างแบตเตอรี่ของเอดิสัน
ความจุของเซลล์ Ne-Fe ขึ้นอยู่กับขนาดและจำนวนของแผ่นขั้วบวกและขั้วลบ รูปลักษณ์ของแผ่นขั้วบวกและขั้วลบในประเภทแบตเตอรี่นี้เหมือนกัน ทั้งสองแผ่นประกอบด้วยกริดสี่เหลี่ยมผืนผ้าทำจากเหล็กชุบนิกเกิล แต่ละรูของกริดถูกเติมด้วยกล่องเหล็กชุบนิกเกิลที่เจาะรูละเอียด
แม้ว่าแผ่นทั้งสองจะดูเหมือนกัน แต่มีวัสดุที่มีฤทธิ์ต่างกัน กล่องเหล็กชุบนิกเกิลที่เจาะรูของแผ่นขั้วบวกบรรจุผสมระหว่างออกไซด์ของนิกเกิลและคาร์บอนที่บดละเอียด ส่วนบางแผ่นขั้วลบบรรจุเม็ดเล็กๆ ของออกไซด์ของเหล็กกับฝุ่นคาร์บอน ในทั้งสองแผ่น ฝุ่นคาร์บอนที่ผสมกับวัสดุที่มีฤทธิ์ช่วยเพิ่มความนำไฟฟ้า เราใช้โปตัสเซียมไฮดรอกไซด์เจือจาง 20% เป็นสารละลายไฟฟ้า
เหล็กชุบนิกเกิลใช้ในการทำภาชนะที่บรรจุสารละลายไฟฟ้าและอิเล็กโทรด แท่งอีโบไนท์ถูกวางระหว่างแผ่นที่มีขั้วต่างกันเพื่อป้องกันไม่ให้มาสัมผัสโดยตรงและทำให้เกิดวงจรป้อนกลับ มีความพิเศษอีกประการหนึ่งในการการสร้างแบตเตอรี่ของเอดิสันหรือแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก คือจำนวนแผ่นขั้วลบมากกว่าจำนวนแผ่นขั้วบวกหนึ่งแผ่น และเราเชื่อมแผ่นขั้วลบท้ายสุดกับภาชนะ แผ่นที่มีขั้วเดียวกันถูกเชื่อมกับสายรัดร่วมกัน และทำเป็นเซลล์ เมื่อรวมหลายเซลล์เข้าด้วยกัน แบตเตอรี่ก็จะถูกสร้างขึ้น
การทำงานของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก
เราทราบอยู่แล้วว่าการทำงานหลักของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็กคือปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่ซึ่งเรียกว่าการสลายตัวทางไฟฟ้า การสลายตัวทางไฟฟ้า คือปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหล มันสามารถเป็นทั้งสาเหตุและผลของการเกิดปฏิกิริยาเคมี สารเคมีของเซลล์นิกเกิล-เหล็กมีความซับซ้อนมากเพราะสูตรสำหรับวัสดุที่ใช้งานในขั้วบวกยังไม่ได้รับการยืนยันอย่างชัดเจน หากเราสามารถสมมติให้วัสดุดังกล่าวเป็น Ni(OH)3 เราสามารถอธิบายได้บางส่วน ระหว่างการชาร์จ สารประกอบนิกเกิลที่ขั้วบวกจะถูกออกซิไดซ์เป็นนิกเกิลเพอร์ออกไซด์ กระบวนการชาร์จเปลี่ยนสารประกอบเหล็กให้กลายเป็นเหล็กฟองน้ำที่ขั้วลบ
ในสภาพที่ชาร์จเต็ม วัสดุที่ใช้งานในขั้วบวกคือนิกเกิลไฮดรอกไซด์ [Ni(OH)3] ในขณะที่ในกระเป๋าของขั้วลบคือเหล็ก Fe เมื่อเซลล์ส่งกระแสไฟฟ้าไปยังโหลด วัสดุที่ใช้งานในขั้วบวกจะเปลี่ยนจาก Ni(OH)3 เป็น Ni(OH)2 และวัสดุที่ใช้งานในขั้วลบจะเปลี่ยนจากเหล็กเป็นเฟอรัสไฮดรอกไซด์ (Fe(OH)2) กระบวนการทางไฟฟ้าเคมีในแบตเตอรี่เอดิสันสามารถแสดงโดยสมการ
สมการแสดงทั้งปรากฏการณ์ของการชาร์จและการปล่อยประจุ กระแสน้ำไหลทางขวาของสมการคือปฏิกิริยาของการปล่อยประจุ และกระแสน้ำไหลทางซ้ายของสมการแสดงการชาร์จ ปฏิกิริยาเกิดขึ้นจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนผ่านวงจรภายนอกไปยังขั้วบวกระหว่างการปล่อยประจุมีการจัดเตรียมสำหรับการปล่อยไอระเหิดที่เกิดขึ้นระหว่างการสลายตัวทางไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่ เพื่อให้ไม่จำเป็นต้องดูแลพิเศษในการติดตั้งเซลล์
ลักษณะของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก
แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เอดิสันที่ชาร์จเต็มคือ 1.4 โวลต์ แรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยในการปล่อยประจุประมาณ 1.2 โวลต์ และแรงดันไฟฟ้าเฉลี่ยในการชาร์จอีกครั้งอยู่ที่ประมาณ 1.7 โวลต์ต่อเซลล์ คุณสมบัติของแบตเตอรี่ประเภทนี้แสดงไว้ในรูปด้านล่างแรงดันไฟฟ้า
คุณสมบัติของแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็กคล้ายคลึงกับเซลล์ตะกั่ว-กรด เมื่อชาร์จเต็มแรงดันไฟฟ้าจะอยู่ที่ 1.4 โวลต์ และค่อยๆ ลดลงเหลือ 1.3 โวลต์ จากนั้นลดลงอย่างช้าๆ ถึง 1.1 หรือ 1.0 โวลต์ระหว่างการปล่อยประจุ จากกราฟ เราสามารถเห็นได้ว่าไม่มีขีดจำกัดล่างของการปล่อยประจุที่ทำให้เอาต์พุตของแบตเตอรี่เป็นศูนย์ นั่นคือเหตุผลว่าทำไมหลังจากระยะเวลาหนึ่งแบตเตอรี่จะหยุดทำงาน เอาต์พุตของแบตเตอรี่มีความสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิ ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น
เวลาเฉลี่ยในการชาร์จแบตเตอรี่คือ 7 ชั่วโมง และเวลาในการปล่อยประจุคือ 5 ชั่วโมง คุณสมบัติอีกอย่างหนึ่งของแบตเตอรี่เอดิสันคือ การทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงจะลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เช่นเดียวกับการชาร์จแบตเตอรี่นานเกินกว่าเวลาเฉลี่ยของการชาร์จ
ประสิทธิภาพแอมแปร์-ชั่วโมงและวัตต์-ชั่วโมงของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็กนี้คือ 85% และ 60% ตามลำดับ ที่อุณหภูมิ 4oC ความจุของแบตเตอรี่เอดิสันจะลดลงเหลือศูนย์ ดังนั้นควรทำความร้อนให้กับแบตเตอรี่ก่อนการทำงาน แม้ว่าระหว่างการทำงาน I2R loss จะทำให้แบตเตอรี่ร้อนและทำงานต่อไป
ข้อดีของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก
มีข้อดีต่างๆ ของแบตเตอรี่เอดิสันมากมาย ซึ่งได้แก่
น้ำหนักของแบตเตอรี่นี้น้อยกว่าแบตเตอรี่ประเภทอื่นๆ เนื่องจากต้องการสารละลายอิเล็กโทรไลต์น้อยและแผ่นธาตุก็เบา
อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สูงมากเพราะมีการจัดเตรียมอย่างหลากหลาย
แบตเตอรี่ประเภทนี้แข็งแรง มีโครงสร้างทนทานเนื่องจากใช้วัสดุเหล็ก ดังนั้นจึงไม่ได้รับผลกระทบจากแรงสั่นสะเทือน แรงกระแทก กระแสไฟฟ้าที่สูง และไม่เสียหายจากการลัดวงจร
ข้อเสียของแบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก
มีข้อเสียบางประการของแบตเตอรี่เอดิสัน เช่น ค่าใช้จ่ายเริ่มต้นในการผลิตแบตเตอรี่เหล่านี้ค่อนข้างสูงเนื่องจากวัสดุที่ใช้มีราคาแพง อีกข้อเสียหนึ่งของแบตเตอรี่ประเภทนี้คือประสิทธิภาพต่ำ ด้วยเหตุผลเพียงไม่กี่ประการนี้ การใช้งานแบตเตอรี่เหล่านี้จึงถูกจำกัด ซึ่งโดยหลักๆ จะใช้ในพื้นที่ที่ต้องการความแข็งแรงทางกลสูง น้ำหนักเบา และไม่มีควันกรด
คำชี้แจง: เคารพ ต้นฉบับ บทความที่ดีควรแบ่งปัน หากละเมิดลิขสิทธิ์โปรดติดต่อลบ
