ปรับช่วงสถานะการประจุให้เหมาะสม เพื่อลดความเครียดทางไฟฟ้าเคมี

การรักษาระดับสุขภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมให้ดีอย่างต่อเนื่องหมายถึงการจัดการกระบวนการชาร์จอย่างเหมาะสม เมื่อเราจำกัดการชาร์จไว้ที่ประมาณ 20% ถึง 80% แทนที่จะปล่อยให้แบตเตอรี่หมดจนว่างเปล่าแล้วจึงชาร์จจนเต็ม ขั้วไฟฟ้าภายในจะได้รับความเครียดลดลงประมาณ 58% ตามการวิจัยจาก Electrochemical Society ในปี 2023 กลยุทธ์นี้ที่เรียกว่า 'ช่วงกลาง' ช่วยป้องกันปัญหา เช่น การเคลือบลิเธียมที่ขั้วลบ (anode) และการแตกร้าวในวัสดุขั้วบวก (cathode) ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพตามเวลา ยกตัวอย่างจากชีวิตจริงคือสมาร์ตโฟน อุปกรณ์ที่หยุดการชาร์จเมื่อถึง 80% จะยังคงความจุประมาณ 92% ของค่าความจุเดิม แม้จะผ่านรอบการชาร์จแบบเต็มครบ 500 รอบแล้ว เปรียบเทียบกับโทรศัพท์ที่ชาร์จเต็มทุกครั้ง ซึ่งเก็บความจุไว้ได้เพียงประมาณ 78% ของความจุเริ่มต้นหลังจากจำนวนรอบการชาร์จเท่ากัน

เหตุใดช่วง SoC 20%–80% จึงช่วยลดการเสื่อมสภาพและยืดอายุการใช้งานรอบการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียม

สถานะประจุที่สูงหรือต่ำต่อเนื่องเร่งให้เกิดการสึกหรอทางเคมี:

• เหนือ 90% SoC : การออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์ทำให้ความจุลดลงประมาณ 1.2% ต่อเดือน
• ต่ำกว่า 15% SoC : การสลายตัวของแอนโธดทำให้เกิดการเสื่อมสภาพประมาณ 0.8% ต่อเดือน

งานวิจัยจากมหาวิทยาลัยมิชิแกน (2023) ยืนยันว่ากลยุทธ์การชาร์จบางส่วนสามารถยืดอายุการใช้งานได้มากถึงสี่เท่า เมื่อเทียบกับการคายประจุลึก

ผลกระทบของระดับการคายประจุ (DoD): จาก 300 รอบที่ 100% DoD เพิ่มเป็นมากกว่า 1,200 รอบที่ 30% DoD

การคายประจุในระดับตื้นช่วยยืดอายุการใช้งานได้อย่างมาก:

การจำกัดระดับการคายประจุไว้ที่ 30% จะช่วยลดความเครียดทางโครงสร้าง ทำให้สามารถใช้งานได้มากกว่า 1,200 รอบ โดยยังคงรักษาระดับความจุได้มากกว่า 90% ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น ในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) และระบบกักเก็บพลังงาน

ควบคุมอุณหภูมิเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพเร็วจากความร้อน

การเสื่อมสภาพจากความร้อน: อุณหภูมิที่สูงขึ้นทุก +10°C เหนือ 25°C ทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมลดลงประมาณ 50%

เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป จะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีภายในแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งก่อให้เกิดความเสียหายอย่างถาวรตามกาลเวลา การศึกษาหลายชิ้บแสดงให้เห็นว่า หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเพียง 10 องศาเซลเซียส จากจุดมาตรฐานที่ 25°C แบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพเร็วขึ้นประมาณครึ่งหนึ่งของอัตราปกติ หมายความว่าจำนวนรอบการชาร์จโดยรวมจะลดลง เช่น แบตเตอรี่ที่ออกแบบมาให้ใช้งานได้ 1,000 รอบ แต่หากทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 35°C เป็นประจำ ก็อาจใช้งานได้เพียงประมาณ 500 รอบก่อนที่ความจุจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ เหตุผลคือความร้อนทำให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์เสื่อมสลาย ทำให้ชั้น SEI ที่ป้องกันพื้นผิวหนาขึ้นกว่าปกติ และทำให้โลหะในขั้วแคโทดหลุดร่วงเข้าสู่ระบบ แม้ในขณะที่แบตเตอรี่ไม่ได้ถูกใช้งาน แต่หากเก็บไว้ในที่ร้อนเกินไป ก็ยังเร่งอัตราการเสื่อมสภาพได้อย่างมาก การควบคุมอุณหภูมิให้ต่ำกว่า 30°C โดยการจัดการความร้อนอย่างเหมาะสม จึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อให้แบตเตอรี่ลิเธียมทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดในงานประยุกต์จริงที่ต้องการสมรรถนะที่เชื่อถือได้

ความเสี่ยงในการชาร์จในสภาวะเย็น: การเคลือบลิเธียมและการสูญเสียความจุอย่างถาวรที่ต่ำกว่า 0°C

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมถูกชาร์จในสภาวะที่มีอุณหภูมิต่ำจัดจนเกิดการแข็งตัว สิ่งที่ไม่ดีจะเกิดขึ้นกับไอออนของลิเธียมเหล่านั้น แทนที่ไอออนจะเคลื่อนเข้าไปยังวัสดุแอนโธดซึ่งเป็นตำแหน่งที่ควรจะไป กลับเริ่มสร้างผลึกโลหะขึ้นบนพื้นผิว ปรากฏการณ์นี้เราเรียกว่า "การชุบลิเธียม (lithium plating)" สิ่งที่ทำให้สถานการณ์เลวร้ายลงไปอีกคือ เมื่อกระบวนการนี้เริ่มขึ้นแล้ว จะก่อให้เกิดความเสียหายถาวร โดยในแต่ละครั้งที่เกิดเหตุการณ์นี้ ความจุของแบตเตอรี่จะลดลงระหว่าง 5% ถึง 20% และรูปแบบของผลึกที่เกิดขึ้นจะขยายตัวคล้ายกิ่งไม้เล็กๆ ภายในแบตเตอรี่ ซึ่งอาจนำไปสู่การลัดวงจรที่อันตรายได้ สถานการณ์จะยิ่งซับซ้อนมากขึ้นเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศาเซลเซียส เพราะไอออนแทบจะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อีกต่อไป ความต้านทานภายในแบตเตอรี่จะเพิ่มสูงขึ้นมาก บางครั้งสูงถึงสามเท่าของค่าปกติ และทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้ากระโดดสูงอย่างน่ารำคาญขณะพยายามชาร์จ งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า หากแบตเตอรี่ผ่านกระบวนการชาร์จเพียงสิบรอบที่อุณหภูมิลบสิบองศาเซลเซียส ก็จะได้รับความเสียหายพอๆ กับการชาร์จร้อยรอบที่อุณหภูมิห้อง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาทั้งหมดนี้ ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้อุ่นแบตเตอรี่ให้มีอุณหภูมิอย่างน้อยห้าองศาเซลเซียส ก่อนเริ่มกระบวนการชาร์จ ขั้นตอนง่ายๆ นี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ แม้ในสภาพอากาศหนาวจัดที่หลายคนต้องเผชิญ

ใช้ระบบจัดการแบตเตอรี่อัจฉริยะสำหรับการป้องกันเชิงรุก

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทำหน้าที่เป็นสมองของแบตเตอรี่ลิเธียม โดยคอยตรวจสอบระดับแรงดันไฟฟ้า การไหลของกระแสไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ และปริมาณประจุที่เหลืออยู่ภายในอย่างต่อเนื่อง ระบบเหล่านี้ทำงานเพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วเกินไป เมื่อมีแรงดันหรือความร้อนสะสมมากเกินไป ระบบจะลดความเร็วในการชาร์จโดยอัตโนมัติ หรือตัดไฟฟ้าออกทั้งหมดเพื่อป้องกันความเสียหาย BMS ที่ดียังช่วยให้แน่ใจว่าแบตเตอรี่จะไม่ถูกคายประจุจนหมด เนื่องจากการคายประจุจนหมดสามารถส่งผลให้อายุการใช้งานสั้นลงอย่างมาก—บางครั้งอาจสั้นลงถึงสามในสี่เมื่อเทียบกับการปล่อยให้คายประจุเพียงบางส่วน การควบคุมอุณหภูมิเป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติสำคัญ เพราะแม้อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเพียง 10 องศาเซลเซียสเหนืออุณหภูมิห้อง ก็สามารถลดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้เกือบครึ่ง โมเดลใหม่ๆ บางรุ่นมีซอฟต์แวร์อัจฉริยะที่สามารถตรวจจับปัญหาที่เกิดขึ้นระหว่างเซลล์ก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาร้ายแรง แล้วจึงกระจายพลังงานเพื่อปรับสมดุลและป้องกันไม่ให้บางพื้นที่เสื่อมสภาพเร็วกว่าพื้นที่อื่น การป้องกันทั้งหมดนี้รวมกันช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม และลดความล้มเหลวที่อาจเป็นอันตราย เช่น การเกิดภาวะ thermal runaway ซึ่งเราอาจเคยได้ยินในข่าวรายงาน

ใช้แนวทางการจัดเก็บและการดูแลรักษาที่ถูกต้องเพื่อความเสถียรในระยะยาว

การจัดเก็บในสภาวะอุดมคติที่ระดับประจุ 40%–60% ในสภาพแวดล้อมที่เย็นและแห้ง: ลดการเสื่อมสภาพตามเวลาได้สูงสุดถึง 70%

แบตเตอรี่ลิเธียมจะมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นมากเมื่อจัดเก็บอย่างเหมาะสม เพราะช่วยป้องกันสิ่งที่เรียกว่า การเสื่อมสภาพตามเวลา (calendar aging) ซึ่งหมายถึงการสูญเสียความจุแม้อยู่ในภาวะไม่ได้ใช้งาน การรักษาปริมาณการชาร์จไว้ระหว่างประมาณ 40% ถึง 60% จะช่วยลดแรงกดดันต่อชิ้นส่วนภายใน และการจัดเก็บในที่เย็น โดยอุดมคติอยู่ระหว่าง 15 ถึง 25 องศาเซลเซียส จะช่วยชะลอปฏิกิริยาทางเคมีที่ทำให้ส่วนประกอบภายในเสื่อมสภาพลง นอกจากนี้ ความชื้นในอากาศไม่ควรสูงเกินไป โดยความชื้นต่ำกว่า 50% จะให้ผลดีที่สุด เนื่องจากความชื้นอาจก่อให้เกิดปัญหา เช่น การกัดกร่อน หรือแม้แต่การรั่วซึมของตัวแบตเตอรี่เอง การปฏิบัติตามแนวทางเหล่านี้จะช่วยได้อย่างชัดเจน สามารถลดการสูญเสียความจุรายปีได้มากถึง 70% เมื่อเทียบกับการปล่อยให้แบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้วจัดเก็บในสภาพแวดล้อมที่ร้อนกว่า เช่น ประมาณ 35 องศา ผู้ที่วางแผนจะจัดเก็บแบตเตอรี่เป็นเวลานานควรตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าเป็นระยะ เพื่อให้มั่นใจว่าอยู่ในช่วงที่เหมาะสม การดำเนินการง่ายๆ ขั้นตอนนี้จะช่วยป้องกันความเสียหายจากการที่แบตเตอรี่หมดพลังงานจนหมดสนิทในช่วงหลายเดือนหรือหลายปีที่ไม่ได้ใช้งาน

หลีกเลี่ยงสภาวะการชาร์จเร็วและชาร์จเกินที่เร่งการเสื่อมสภาพ

ข้อแลกเปลี่ยนของการชาร์จเร็ว: การลดอายุการใช้งานรอบแบตเตอรี่ลิเธียม 20–30% ที่อัตรา 2C เมื่อเทียบกับการชาร์จมาตรฐานที่ 0.5C

เมื่อเราพูดถึงการชาร์จและคายประจุอย่างรวดเร็ว เซลล์ลิเธียมไอออนจะได้รับความเสียหายอย่างมากในเชิงอิเล็กโทรเคมี การชาร์จที่อัตรา 2C หมายถึงการชาร์จแบตเตอรี่ให้เต็มภายในเวลาเพียงครึ่งชั่วโมง แต่สิ่งนี้ก็มาพร้อมกับต้นทุน งานวิจัยแสดงให้เห็นว่า แบตเตอรี่ที่ใช้งานภายใต้เงื่อนไขดังกล่าวมักมีอายุการใช้งานเหลือเพียงประมาณ 70 ถึง 80% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ชาร์จที่อัตราปกติ 0.5C สาเหตุของการเสื่อมสภาพนี้เกิดจากสิ่งที่เกิดขึ้นภายในเซลล์ระหว่างกระบวนการที่รวดเร็วนี้ อิออนที่เคลื่อนที่เร็วทำให้สารอิเล็กโทรไลต์เสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ และยังเร่งการเกิดชั้น SEI บนขั้วไฟฟ้า ซึ่งในระยะยาวจะลดความจุโดยรวมของแบตเตอรี่ลง และอย่าลืมเรื่องการชาร์จเกินด้วย การชาร์จเกินจะก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีที่เป็นอันตรายหลายอย่างภายในแบตเตอรี่ ซึ่งอาจทำลายชิ้นส่วนภายในและลดอายุการใช้งานที่แท้จริงของแบตเตอรี่ลงอย่างมาก

• ความเสี่ยงของการควบคุมอุณหภูมิไม่ได้ : แรงดันไฟฟ้าเกินทำให้เกิดการสะสมความร้อน (>60°C) ซึ่งเร่งการเสื่อมสภาพของแคโทด
• การเคลือบลิเธียม : ลิเธียมโลหะจะสะสมตัวบนขั้วบวกเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 0°C ระหว่างการชาร์จ ซึ่งก่อให้เกิดการสูญเสียความจุอย่างถาวร
• ความเสียหายของโครงสร้าง : การชาร์จเกินพิกัดทำให้แกรไฟต์ที่ขั้วบวกละขยายตัวเกินขีดจำกัดการออกแบบ ส่งผลให้วัสดุอิเล็กโทรดแตกร้าว

โปรโตคอลการชาร์จที่เหมาะสมจะช่วยถ่วงดุลระหว่างความเร็วและความทนทาน สำหรับอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมที่ยาวนานที่สุด ควรจำกัดอัตราการชาร์จไว้ที่ไม่เกิน ‹1C เมื่อทำได้ และใช้เครื่องชาร์จอัจฉริยะที่หยุดการชาร์จโดยอัตโนมัติเมื่อถึงระดับแรงดัน 100% แอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานสูง (เช่น เครื่องมือไฟฟ้า) จะได้รับประโยชน์จากระบบจัดการความร้อนเพื่อลดการเสื่อมสภาพในระหว่างการใช้งานแบบชาร์จ-ปล่อยอย่างรวดเร็ว

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

ช่วงสถานะการประจุ (SoC) ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมคือเท่าใด?

ช่วง SoC ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมคือระหว่าง 20% ถึง 80% เนื่องจากช่วยลดความเครียดทางอิเล็กโทรเคมีและยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

อุณหภูมิส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไร?

การเพิ่มอุณหภูมิขึ้น 10°C จากอุณหภูมิทำงานมาตรฐานที่ 25°C อาจทำให้อายุการใช้งานรอบการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมลดลงประมาณ 50% ในขณะที่การทำงานในสภาวะอุณหภูมิติดลบอาจก่อให้เกิดการสะสมตัวของลิเธียม (lithium plating) และสูญเสียความจุอย่างถาวร

การสะสมตัวของลิเธียม (lithium plating) คืออะไร

การสะสมตัวของลิเธียมเกิดขึ้นเมื่ออนไอออนลิเธียมกลายเป็นผลึกโลหะบนพื้นผิวแอนโอดของแบตเตอรี่ระหว่างการชาร์จในอุณหภูมิติดลบ ส่งผลให้ความจุลดลงอย่างไม่สามารถกู้คืนได้

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไร

BMS ป้องกันแบตเตอรี่ลิเธียมโดยการตรวจสอบแรงดัน กระแส อุณหภูมิ และระดับการชาร์จ พร้อมปรับความเร็วในการชาร์จหรือตัดไฟโดยอัตโนมัติเพื่อป้องกันความเสียหาย