การเข้าใจอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมและปัจจัยสำคัญที่ทำให้อายุการใช้งานลดลง

นิยามอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมและความสำคัญในระบบกักเก็บพลังงาน

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมโดยพื้นฐานหมายถึงจำนวนครั้งที่สามารถชาร์จและปล่อยประจุได้อย่างเต็มรูปแบบ ก่อนที่ความจุจะลดลงเหลือประมาณ 80% ของค่าเริ่มต้นเมื่อใหม่ สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างมากต่อระบบกักเก็บพลังงาน เพราะแบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานยิ่งขึ้นจะช่วยลดค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนใหม่ และส่งผลดีต่อสิ่งแวดล้อมในระยะยาว ยกตัวอย่างเช่น การเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ แบตเตอรี่ที่สามารถใช้งานได้ประมาณ 5,000 รอบ เมื่อปล่อยประจุเพียง 20% ในแต่ละครั้ง มักจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่อีกชนิดหนึ่งที่ถูกใช้งานจนระดับการปล่อยประจุ (Depth of Discharge) ถึง 80% แต่รองรับได้เพียง 1,000 รอบ ไปอีก 3 ถึง 5 ปี ความแตกต่างนี้มีนัยสำคัญอย่างมากในทางปฏิบัติสำหรับผู้ดำเนินการระบบ ที่ต้องพิจารณาค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาระยะยาว

กฎการชาร์จ 20%-80% เพื่อลดการเสื่อมสภาพผ่านการจัดการระดับประจุไฟฟ้า (SoC) อย่างเหมาะสม

การรักษาระดับประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไว้ระหว่าง 20% ถึง 80% จะช่วยปกป้องขั้วไฟฟ้าภายในและทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้นก่อนที่จะสูญเสียความจุ งานวิจัยบางชิ้นในปี 2023 ได้ศึกษาแบตเตอรี่อุตสาหกรรมประมาณ 12,000 ก้อน และพบสิ่งที่น่าสนใจ: แบตเตอรี่ที่รักษาระดับประจุไว้ในช่วงนี้มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ที่ชาร์จจากหมดจนเต็มเป็นประจำประมาณ 40% เมื่อระดับประจุของแบตเตอรี่ต่ำหรือสูงเกินไป จะเกิดปฏิกิริยาภายในที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การเคลือบลิเธียม (lithium plating) ซึ่งเป็นการสะสมของโลหะบนขั้วไฟฟ้า และเร่งให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้นตามเวลา ความเสียหายประเภทนี้โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะเกิดปัญหาเมื่อแบตเตอรี่ทำงานที่ระดับประจุสุดขั้วเป็นระยะเวลานาน

ความลึกของการปล่อยประจุ (Depth of Discharge - DoD) และผลกระทบโดยตรงต่อการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ตามระยะเวลา

ความลึกของการปล่อยประจุสัมพันธ์โดยตรงกับการลดลงของอายุการใช้งานแบบไซเคิล:

• doD 30%: ประมาณ 8,000 ไซเคิล
• doD 50%: ประมาณ 3,500 ไซเคิล
• doD 80%: ประมาณ 1,200 ไซเคิล

ความสัมพันธ์เชิงทวีนี้เกิดจากความเครียดทางกลบนวัสดุขั้วไฟฟ้าระหว่างการคายประจุลึก ที่ระดับ DoD 80% การขยายตัวของแอนโอดกราไฟต์จะเพิ่มขึ้น 9% เมื่อเทียบกับที่ระดับ DoD 30% ซึ่งทำให้โครงสร้างพรุนเสียหายอย่างถาวร (Ponemon Institute, 2022)

ผลกระทบของช่วงแรงดันต่ออายุการใช้งาน: ความเสี่ยงจากการชาร์จเกินและการคายประจุลึก

การทำงานนอกช่วงแรงดันที่แนะนำ (2.5V–4.2V สำหรับเซลล์ NMC) จะกระตุ้นให้เกิดความเสียหายอย่างถาวร:

• การชาร์จเกิน (>4.2V): ก่อให้เกิดการสะสมของลิเธียมในรูปโลหะ เพิ่มความต้านทานภายในขึ้น 22% หลังจาก 50 รอบ
• การคายประจุลึก (<2.5V): นำไปสู่การกัดกร่อนของตัวนำกระแสทองแดง ลดการคงความจุลง 15% ต่อไตรมาส

งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นว่าการปรับเกณฑ์แรงดันแบบไดนามิกตามอุณหภูมิและรูปแบบการใช้งานสามารถยืดอายุการใช้งานได้เพิ่มขึ้น 38% เมื่อเทียบกับขีดจำกัดแบบคงที่

แนวทางปฏิบัติในการชาร์จที่เหมาะสมเพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

หลีกเลี่ยงการคายประจุเต็มและการชาร์จเกินเพื่อสุขภาพแบตเตอรี่ระยะยาว

การรักษาระดับประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไว้ที่ประมาณ 20% ถึง 80% จะช่วยลดความเครียดที่เกิดกับขั้วไฟฟ้า ซึ่งสามารถยืดอายุการใช้งานได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับการปล่อยให้แบตเตอรี่หมดจนเหลือ 0% โดยเมื่อเราทำให้แบตเตอรี่ลดลงถึงระดับ 0% หรือพยายามใช้พลังงานให้หมดโดยการชาร์จเต็ม 100% จะก่อให้เกิดปัญหา เช่น การเคลือบลิเธียม (lithium plating) และการเสื่อมสภาพของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ภายใน ซึ่งเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพตามกาลเวลา งานวิจัยระบุว่า หากใช้แบตเตอรี่เพียงครึ่งหนึ่งก่อนชาร์จใหม่ (ประมาณ 50% ของการคายประจุ) แบตเตอรี่ประเภทนี้มักจะมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ที่ถูกคายประจุจนเกือบหมดในแต่ละรอบถึงสามเท่า

โปรโตคอลการชาร์จ-คายประจุของแบตเตอรี่และผลกระทบต่ออายุการใช้งาน

การใช้รอบการคายประจุระดับต่ำ (30–50% DoD) ร่วมกับกระแสไฟชาร์จ 0.5C จะช่วยเพิ่มอายุการใช้งานแบตเตอรี่อย่างสูงสุดในขณะที่ยังคงตอบสนองความต้องการพลังงานได้ การวิเคราะห์ทางความร้อนแสดงให้เห็นว่าการชาร์จที่ 0.25C สร้างความร้อนน้อยกว่าการชาร์จเร็วที่ 1C ถึง 60% ซึ่งช่วยลดการสูญเสียความจุสะสมอย่างมีนัยสำคัญ โปรโตคอลขั้นสูงจะช่วยสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการอนุรักษ์แบตเตอรี่ โดยการควบคุมกระแสแบบปรับตัวตามแรงดันและอุณหภูมิของเซลล์

แนวทางปฏิบัติในการชาร์จที่เหมาะสม รวมถึงอัตราการชาร์จและวงจรชาร์จเต็มเป็นระยะ

กลยุทธ์การชาร์จสองระยะสามารถเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุดได้:

• กระแสคงที่ (CC): ชาร์จเร็วจนถึง 80% ของความจุ
• แรงดันคงที่ (CV): ลดกระแสลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปสำหรับ 20% สุดท้าย

แม้ว่าวงจรชาร์จเต็มทุกเดือนจะช่วยปรับเทียบระบบตรวจสอบความจุ แต่การชาร์จบางส่วนระหว่าง 30–80% SoC ในแต่ละวันจะให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า การหยุดการชาร์จที่ 95% ของความจุจะช่วยลดความเสี่ยงจากแรงดันเกินที่ขั้วไฟฟ้า โดยผู้ผลิตรายงานว่าระบบที่ใช้ช่วงสำรองนี้มีความล้มเหลวน้อยลงถึง 72%

บทบาทของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ในการปกป้องและเพิ่มอายุการใช้งานของวงจรชาร์จ

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทำหน้าที่เป็นระบบประสาทส่วนกลางสำหรับ อายุการใช้งานแบบหมุนเวียนของแบตเตอรี่ลิเธียม การเพิ่มประสิทธิภาพในแอปพลิเคชันการจัดเก็บพลังงาน โดยการตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์การดำเนินงานหลักอย่างต่อเนื่อง ระบบอัจฉริยะเหล่านี้จะป้องกันการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็ว ขณะเดียวกันก็รักษาระดับเงื่อนไขการทำงานที่ปลอดภัยตลอดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

บทบาทของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ในการป้องกันแบบเรียลไทม์และการป้องกันการเสื่อมสภาพ

เทคโนโลยี BMS สมัยใหม่ป้องกันการสูญเสียความจุอย่างแข็งขันผ่านมาตรการป้องกันหลักสามประการ:

• ปิดกั้นวงจรการชาร์จเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 45°C (113°F)
• ตัดการเชื่อมต่อโหลดโดยอัตโนมัติหากแรงดันเซลล์ต่ำกว่า 2.5V
• จำกัดกระแสไฟฟ้าขณะชาร์จสูงสุดในระหว่างการทำงานที่อุณหภูมิต่ำ

การแทรกแซงเหล่านี้ช่วยลดความเครียดต่อเคมีภายในแบตเตอรี่ พร้อมทั้งปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย UL 1973 สำหรับระบบที่จัดเก็บพลังงานแบบคงที่

การใช้ BMS เพื่อตรวจสอบสุขภาพ ปรับสมดุลเซลล์ และบังคับใช้ขีดจำกัดการใช้งานอย่างปลอดภัย

หน้าที่สำคัญของ BMS ได้แก่:

• การตรวจสอบแรงดันเซลล์แบบเรียลไทม์ด้วยความแม่นยำ ±5mV
• ระบบปรับสมดุลแบบแอคทีฟ/แพสซีฟ ช่วยชดเชยความไม่ตรงกันของความจุระหว่างเซลล์ที่ระดับ 2–8%
• ป้องกันการแพร่กระจายของความร้อนเกินควบคุมได้โดยใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์หลายชั้น

การปรับสมดุลเซลล์อย่างเหมาะสมสามารถลดการเสื่อมของความจุลงได้ถึง 40% เมื่อเทียบกับระบบที่ไม่มีการปรับสมดุล ระบบขั้นสูงสามารถติดตามพารามิเตอร์สุขภาพมากกว่า 15 รายการพร้อมกัน และอัปเดตขีดจำกัดความปลอดภัยทุกๆ 50ms

อัลกอริทึม BMS ขั้นสูงที่รองรับการบำรุงรักษาเชิงคาดการณ์และการเพิ่มประสิทธิภาพ SoC

ระบบรุ่นใหม่ใช้การเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) เพื่อทำนายอายุการใช้งานที่เหลืออยู่ (RUL) ด้วยความแม่นยำ 92% โดยใช้:

1. การวิเคราะห์จากการนับคูลอมบ์ในรูปแบบการชาร์จ/ปล่อยประจุ
2. การสเปกโทรสโกปีความต้านทานไฟฟ้าทางอิเล็กโทรเคมีเพื่อตรวจจับความผิดปกติแต่เนิ่นๆ
3. การสร้างแบบจำลองแนวโน้มการสูญเสียความจุจากข้อมูลการใช้งานย้อนหลัง

อัลกอริทึมเหล่านี้ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้ยาวขึ้นถึง 30% ผ่านการปรับช่วง SoC แบบไดนามิก โดยทำการเพิ่มประสิทธิภาพอัตโนมัติระหว่าง 20–80% สำหรับการใช้งานประจำวัน และ 50–70% สำหรับการจัดเก็บตามฤดูกาล

การเปรียบเทียบเคมี LFP และ NMC ในด้านอายุการใช้งานและประสิทธิภาพจริง

เหตุใดลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) จึงมีอายุการชาร์จซ้ำได้ดีกว่า NMC

แบตเตอรี่ LFP มีอายุการใช้งานประมาณ 3,000 ถึง 5,000 รอบการชาร์จ ในขณะที่ยังคงความจุไว้ได้ประมาณ 80% ของค่าเริ่มต้น ซึ่งดีกว่าแบตเตอรี่ NMC อย่างชัดเจน เนื่องจากแบตเตอรี่ NMC โดยทั่วไปมีเพียง 1,000 ถึง 2,000 รอบเท่านั้น เหตุผลคือโครงสร้างผลึกโอลิวีนที่มีความเสถียรทำให้ LFP มีข้อได้เปรียบเหนือคู่แข่ง สิ่งที่ทำให้ LFP พิเศษก็คือความสามารถในการคงความเสถียรภาพตลอดหลายรอบการชาร์จ ความเสถียรนี้หมายถึงการสึกหรอของขั้วไฟฟ้าลดลง ทำให้สูญเสียความจุน้อยลงโดยประมาณ 70% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ NMC เมื่อพิจารณาโซลูชันการจัดเก็บพลังงานในระยะยาวที่อายุการใช้งานของแบตเตอรี่มีความสำคัญที่สุด แบตเตอรี่ LFP สามารถจ่ายพลังงานได้อย่างเชื่อถือได้เกินกว่าหนึ่งทศวรรษ ความทนทานในระดับนี้ทำให้มันมีคุณค่าอย่างยิ่งสำหรับการติดตั้งขนาดใหญ่ เช่น ฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ และระบบจัดเก็บพลังงานที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าอื่นๆ ที่ต้องการลดต้นทุนการเปลี่ยนทดแทนให้น้อยที่สุด

การเปรียบเทียบอายุการใช้งาน: LFP, NMC และแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประเภทอื่นภายใต้สภาวะการใช้งานจริง

แม้การทดสอบในห้องปฏิบัติการจะแสดงถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานของแบตเตอรี่ LFP แต่ประสิทธิภาพจริงในสนามขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมในการใช้งาน:

เมตริก	LFP	NMC	LCO (ลิเธียมโคบอลต์)
ค่าเฉลี่ยรอบการใช้งาน (ถึง 80%)	3,000–5,000	1,000–2,000	500–1,000
เสถียรภาพทางความร้อน	ปลอดภัยสูงสุดถึง 60°C	ปลอดภัยสูงสุดถึง 45°C	ปลอดภัยสูงสุดถึง 40°C

ความหนาแน่นพลังงานที่สูงกว่าของ NMC (150–250 Wh/kg) เหมาะสำหรับยานยนต์ไฟฟ้า แต่ LFP กลับครองตลาดการจัดเก็บพลังงานแบบคงที่ โดยที่ความปลอดภัยและอายุการใช้งานมีความสำคัญมากกว่าข้อจำกัดด้านความหนาแน่นพลังงาน ข้อมูลจากโครงการจัดเก็บพลังงานแบบคงที่ในสนามจริงแสดงให้เห็นว่า ระบบ LFP ยังคงความจุได้ 90% หลังผ่านการชาร์จ-คาย 2,500 รอบ ในสภาพแวดล้อม 35°C — สภาวะที่ทำให้ NMC เสื่อมสภาพเร็วกว่าถึง 25%

ข้อได้เปรียบด้านความยั่งยืนและความปลอดภัยของ LFP ในการประยุกต์ใช้งานระบบจัดเก็บพลังงานแบบคงที่

เคมีของแบตเตอรี่ LFP ไม่จำเป็นต้องใช้ส่วนประกอบทั้งโคบอลต์และนิกเกิล ซึ่งหมายความว่าผู้ผลิตไม่ต้องพึ่งพาวัสดุเหล่านี้ที่มีข้อขัดแย้งและอันตรายบ่อยครั้งอีกต่อไป สิ่งที่น่าสนใจจริงๆ คือความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นของแบตเตอรี่เหล่านี้ด้วย อุณหภูมิที่เริ่มเกิดการร้อนเกินไปอยู่ไกลเกิน 200 องศาเซลเซียส ซึ่งเกือบจะสองเท่าของแบตเตอรี่ NMC สิ่งนี้ทำให้ LFP เหมาะมากสำหรับสถานที่ที่ไฟไหม้จะสร้างหายนะ เช่น โครงข่ายไฟฟ้าขนาดเล็กที่กำลังปรากฏขึ้นทั่วเมืองในปัจจุบัน เมื่อดูจากการวิจัยล่าสุดเมื่อปีที่แล้ว ผู้เชี่ยวชาญด้านความยั่งยืนพบสิ่งสำคัญอย่างหนึ่ง นั่นคือการผลิตแบตเตอรี่ LFP จะปล่อยคาร์บอนออกมาน้อยกว่าประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับการผลิตแบตเตอรี่ NMC และเมื่อถึงเวลาที่ต้องนำกลับมาใช้ใหม่ วัสดุที่มีค่าส่วนใหญ่สามารถกู้คืนได้จริงๆ เราพูดถึงเกือบทั้งหมด (ประมาณ 98%) ของลิเธียมไอรอนฟอสเฟตที่สามารถนำกลับมาได้ เทียบกับเพียงประมาณสามในสี่ของแบตเตอรี่ NMC

ข้อขัดแย้งในอุตสาหกรรม: ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น เทียบกับ อายุการใช้งานในการชาร์จซ้ำที่ยาวนานกว่า—ข้อแลกเปลี่ยนในการเลือกสารเคมี

ในโลกของการจัดเก็บพลังงาน มีการถ่วงดุลที่สำคัญกำลังเกิดขึ้นในขณะนี้ ทางหนึ่งเรามีแบตเตอรี่ NMC ที่มีความหนาแน่นสูงถึง 220 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถสร้างระบบขนาดเล็กลงและกะทัดรัดมากขึ้น แต่อีกด้านหนึ่งก็มีเทคโนโลยี LFP ซึ่งอาจให้พลังงานต่ำกว่าในตอนแรก แต่ประหยัดค่าใช้จ่ายในระยะยาวได้ประมาณ 0.05 ถึง 0.10 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง เมื่อพิจารณาจากอายุการใช้งานที่ยืดยาว บริษัทต่างๆ เช่น BYD และ CATL กำลังพัฒนาแนวทางแก้ไขแบบผสมผสานที่รวมเอาสิ่งที่ดีที่สุดจากทั้งสองเทคโนโลยีเข้าไว้ด้วยกัน ระบบที่ผสมกันนี้ทำให้ผู้ผลิตได้รับทั้งพลังงานที่ต้องการและการปล่อยประจุอย่างรวดเร็ว พร้อมกับความทนทานที่สามารถใช้งานได้เป็นเวลาหลายทศวรรษโดยไม่เสื่อมสภาพ หากพิจารณาแนวโน้มล่าสุด รายงาน Battery Tech Report ปี 2024 แสดงให้เห็นถึงปรากฏการณ์ที่น่าสนใจในตลาด โดยประมาณสองในสามของติดตั้งระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ใหม่ทั้งหมดในปัจจุบันเลือกใช้ LFP สิ่งนี้บ่งชี้ว่าอุตสาหกรรมเริ่มให้ความสำคัญกับประสิทธิภาพของระบบตลอดอายุการใช้งานมากกว่าการเน้นเพียงแค่ปริมาณพลังงานที่สามารถจัดเก็บได้ในช่วงแรก

คำถามที่พบบ่อย

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมคืออะไร

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมหมายถึงจำนวนครั้งที่สามารถชาร์จและปล่อยประจุได้เต็มรูปแบบ ก่อนที่ความจุจะลดลงเหลือ 80% ของค่าเริ่มต้น

ทำไมจึงควรชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมระหว่าง 20% ถึง 80%

การรักษาระดับการชาร์จไว้ระหว่าง 20% ถึง 80% จะช่วยปกป้องขั้วไฟฟ้าภายในแบตเตอรี่ ทำให้อายุการใช้งานยาวนานขึ้น

ความลึกของการปล่อยประจุ (Depth of Discharge: DoD) ในแง่ของแบตเตอรี่คืออะไร

DoD บ่งบอกถึงระดับความลึกของการปล่อยประจุของแบตเตอรี่ โดยยิ่งปล่อยประจุลึกเท่าไร จำนวนรอบการใช้งานของแบตเตอรี่ก็จะยิ่งลดลง เนื่องจากเกิดแรงเครียดทางกลมากขึ้นต่อวัสดุขั้วไฟฟ้า

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System: BMS) ช่วยปกป้องอายุการใช้งานของแบตเตอรี่อย่างไร

BMS ตรวจสอบและควบคุมพารามิเตอร์ในการทำงาน เพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพที่เร็วผิดปกติ และรักษาสภาวะการทำงานที่ปลอดภัย

แบตเตอรี่ LFP มีข้อดีอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ NMC

แบตเตอรี่ LFP มักมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าและมีความปลอดภัยสูงกว่า ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในระบบจัดเก็บพลังงานแบบคงที่