แบตเตอรี่ชนิดต่างๆและแบตเตอรี่รถยนต์
เรานำพลังงานไฟฟ้ามาเก็บไว้ให้คุณเพียงแต่แกะฝาออกคุณก็จะได้พลังงานออกมาใช้ แต่จะแกะฝาไหนละครับลองมาทำความรู้จักแต่ละฝา แต่ละแบบซิครับ
ทุกคนคงจะรู้จักกันดีถึงถ่านไฟฉาย เพราะอย่างน้อยก็ต้องเคยใช้ในวิทยุ ในกระบอกไฟฉาย หรือในเครื่องเล่นเทป แบบกระเป๋าหิ้ว แต่เคยมีใครคิดไหมว่า ทำไมถ่านไฟฉายบางชนิดถึงมีราคาแพง และบางชนิดมีราคาแพงกว่าอีกชนิดหนึ่ง มันเป็นความจริงหรือไม่ที่เขาโฆษณากันว่า ถ่านไฟฉายชนิดนี้จะมีอายุการใช้งานนานกว่า เป็น 2 เท่า ของชนิดนั้น และทำไมเครื่องไฟฟ้าบางอย่างถึงต้องเจาะจงใช้แบตเตอรี่ ชนิดใดชนิดหนึ่งโดยเฉพาะบทความนี้จะนำคุณไปรู้จักกับแบตเตอรี่ชนิดต่างๆ ตลอดจนแสดงให้เห็นรูปแบบของแบตเตอรี่แต่ละชนิด ซึ่งจะทำให้คุณรู้จักเลือกใช้แบตเตอรี่แต่ละชนิดให้เหมาะกับงานแต่ละอย่างในราคาที่สมเหตุสมผล
เริ่มแรกเรามาทำความรู้จักกับคำว่าแบตเตอรี่กันก่อน ถ่านไฟฉายที่เราเห็นกันนั้นเรียกว่า เซล (cell) ถ้าพูดกันให้ถูกต้อง คำว่าแบตเตอรี่ในความหมายทางไฟฟ้าก็คือ การนำเซลเหล่านั้นมาต่อกัน เซลทั้ง 4 ขนาดที่เราเห็นกันทั่วไปในรูปที่ 1 , 2 , 3 และ 4 ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับของจริง
ถึงแม้ว่าจะมีเซลหลายแบบมีขนาดต่างๆ กัน (ซึ่งผู้ผลิตแต่ละ...จะทำการผลิตเซลแต่ละชนิดออก 2 – 3 ขนาด หรือมากกว่านั้น) แยกออกเป็นขนาดต่างๆ กันในขนาด AAA ขนาด AA ขนาด D ตามลำดับ ความจริง..ท้องตลาดมีเซลขนาดต่างๆ กันมาก
เซลแบบอนุกรม
แบตเตอรี่ขนาดหนึ่งที่นิยมใช้กันมากที่สุดคือ ขนาด PP – 3 ซึ่งแสดงไว้ในรูปที่ 5 ก็ที่เรียกกันติดปากว่าถ่าน 9 โวลท์แหละครับ แบตเตอรี่ขนาด PP – 3 นี้เรียกว่าเป็นแบตเตอรี่ได้อย่างแท้จริง เนื่องจากมันประกอบไปด้วย เซลขนาดเล็ก 6 เซลต่ออนุกรมกัน บรรจุอยู่ในตัวถังแสดงในรูปที่ 6 แต่ละเซลจะมีแรงดัน 1.5 โวล์ท ดังนั้นแบตเตอรี่ขนาด PP – 3 จึงมีแรงดัน 9 โวล์ท แบตเตอรี่ชนิดอื่นซึ่งเป็นแบบ PP ก็มี PP – 1, PP – 6, PP – 9 และอื่นๆ อีก ซึ่งมีโครงสร้างเช่นเดียวกับ PP – 3
แต่อย่าลืมนึกถึงแบตเตอรี่อีกชนิดหนึ่งซึ่งใช้กันทั่วไป นั้นก็คือ แบตเตอรี่รถยนต์ ซึ่งภายในประกอบด้วยเซลมาต่ออนุกรมกัน 6 เซล ข้อแตกต่างกับแบตเตอรี่อื่นก็คือ เซลภายในตัวแบตเตอรี่แต่ละเซลจะมีแรงดัน 2 โวล์ท ดังนั้นแบตเตอรี่รถยนต์นี้จึงสามารถจ่ายแรงดันได้ 12 โวล์ท มีบางสิ่งที่แตกต่างไปสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์กับแบตเตอรี่ต่างๆ ที่กล่าวถึงในตอนแรกนั่นคือ มันสามารถเก็บประจุไฟฟ้าไว้ได้สำหรับใช้ในการติดเครื่องยนต์ เมื่อเครื่องยนต์ติดแล้วเยเนอเรเตอร์ในรถก็จะหมุนปั่นไฟประจุกับสู่แบตเตอรี่ได้
รูปที่ 6 แสดงถึงลักษณะโครงสร้างภายในของแบตเตอรี่ขนาด PP–3 โดยเซลทั้ง 6 เซลจะต่ออนุกรมกัน
การที่แบตเตอรี่รถยนต์สามารถประจุไฟเข้าไปได้ ก็เนื่องมาจากมันถูกสร้างให้เป็นเซลแบบทุติยภูมิ (secondary cell) โดยเซลแบบทุติยภูมินั้น เมื่อสร้างขึ้นแล้วต้องนำไปทำการประจุไฟหรือชาร์จไฟเสียก่อน จึงจะจ่ายกระแสไฟฟ้าออกมาได้ และเมื่อใช้กระแสไฟฟ้า (discharge) ไปจนกระแสอ่อนลงแล้วก็นำไปประจุไฟใหม่ได้ ซึ่งไม่เหมือนกับเซลที่กล่าวถึงในตอนแรก ซึ่งเป็นขนาด AAA ขนาด AA ขนาด C ขนาด D และขนาด PP ทุกแบบ โดยทั่วไปนั้นเซลขนาดเหล่านี้ถูกสร้างมาเป็นแบบเซลปฐมภูมิ ซึ่งเซลชนิดนี้เมื่อสร้างเสร็จแล้วก็นำไปใช้เพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าออกมาได้ทันที เมื่อใช้ไปแล้ว ส่วนประกอบบางส่วนจะหมดเปลืองไปโดยไม่กลับมาเป็นสภาพเดิมได้อีก หลังจากที่ใช้ไปชั่วระยะเวลาหนึ่งแล้ว ต้องเปลี่ยนส่วนประกอบใหม่จึงจะใช้ได้ดีดังเดิม และไม่สามารถประจุไฟฟ้าเข้าไปใหม่ได้ นอกจากนี้ยังมีเซลแบบทุติยภูมิที่มีขนาดเดียวกับเซลแบบปฐมภูมิ ดังกล่าวมีขายอยู่ในท้องตลาดซึ่งรู้จักกันในนามของเซลแบบนิกเกิล – แคดเมี่ยม (Nickel Cadmium) หรือเรียกกันย่อๆ ว่านิแคด (Nicad) แต่เราจะไม่นำมากล่าวในที่นี้
ในหัวข้อต่อไปนี้ เราจะมาศึกษาให้ลึกซึ่งถึงเซลแบบปฐมภูมิชนิดต่างๆ ที่มีขายกันอยู่ในขณะนี้ว่ามันทำมาจากอะไร สามารถจ่ายกระแสออกมาได้อย่างไร ตลอดจนถึงประโยชน์ในการนำมันไปใช้งานต่อไป
รูปที่ 1 แสดงถึงเซลขนาด AAA ซึ่งมีความสูงประมาณ 44.5 มิลลิเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10.5
มิลลิเมตร
รูปที่ 2 เป็นเซลขนาด AA มีความสูงประมาณ 50 มิลลิเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 14 มิลลิเมตร และเป็น
เซลขนาดหนึ่งที่นิยมใช้กันมากในกระบอกไฟฉาย วิทยุ และพวกซาวน์อะเบ๊าท์
รูปที่ 3 แสดงถึงเซลขนาด C ซึ่งมีความสูงประมาณ 49 มิลลิเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 25
มิลลิเมตร
รูปที่ 4 เป็นเซลขนาด D มีความสูงประมาณ 60 มิลลิเมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 33.2 มิลลิเมตร ซึ่งเป็น
ขนาดที่นิยมใช้กันมากในที่สุดในวิทยุกระเป๋าหิ้ว
รูปที่ 5 เป็นเซลขนาด PP - 3 หรือแบตเตอรี่ 9 โวล์ตซึ่งเป็นที่รู้จักกันดี เพราะว่าใช้ในพวกเครื่องเล่นต่างๆ
ขนาด PP - 3 นั้นจัดว่าเป็นแบตเตอรี่อย่างแท้จริง ซึ่งประกอบด้วยเซลมาต่อกันเป็นชุด ซึ่งต่างกับ 4
ขนาดแรกที่กล่าวมา
การทำงานของเซลไฟฟ้า
เซลไฟฟ้านั้นสร้างขึ้นได้โดยการนำแท่งตัวหรือเรียกว่า แท่งอิเลคโทรด (electrode) 2 แท่งมาจุ่มลงไปในสารละลายที่เรียกว่า อิเลคทรอไลท์ (electrolyte) ดังแสดงให้เห็นในรูปที่ 7 แท่งอิเลคโทรดแท่งหนึ่งจะเรียกว่าอาโนด ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นโลหะ ส่วนอีกแท่งหนึ่งเรียกว่า คาโถด ซึ่งส่วนใหญ่จะนำมาจากออกไซด์ของโลหะ
ออกไซด์ของโลหะเกิดจากการรวมตัวกันระหว่างอะตอมของโลหะกับออกซิเจน ตัวอย่างที่เห็นกันบ่อยๆ ของออกไซด์ของโลหะก็คือ ออกไซด์ของเหล็กที่เรียกกันว่า สนิมเหล็ก ซึ่งเกิดจากการทิ้งเหล็กไว้ในอากาศ ซึ่งโลหะส่วนมากแล้วจะรวมตัวกับออกซิเจน เมื่อนำออกไซด์ของโลหะมาใช้ในเซลจะเป็นการใช้ในทางสร้างสรรค์ ไม่เหมือนกับสนิมเหล็กซึ่งเป็นตัวทำลาย
ส่วนอิเลคทรอไลท์ทำจากสารต่างๆ ได้หลายชนิด ซึ่งจะเลือกใช้ให้เหมาะกับอิเลคโทรดแต่ละชนิดเท่านั้น โดยที่เซลต่างชนิดกันจะใช้อิเลคโทรดต่างกัน ทำให้ใช้อิเลคทรอไลท์ต่างกันด้วย แต่อิเลคทรอไลน์แบบใดก็ตามก็เป็นตัวนำไฟฟ้าซึ่งจะให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน ในทิศทางใดโดยเฉพาะซึ่งเราจะกล่าวถึงต่อไป
โลหะที่ใช้เป็นอาโนดนั้น จะเลือกให้มีความสามารถในการรวมตัวกับออกซิเจนได้ดีกว่าโลหะที่ใช้เป็นคาโถดถ้านำเอาอาโนดและคาโถดมาวางไว้ด้วยกัน อาโนดจะดึงเอาออกซิเจนออกจากออกไซด์ของโลหะ ซึ่งเป็นคาโถดและทิ้งแท่งคาโถดไว้เป็นโลหะ ในกรณีนี้เราเรียกว่าอาโนดถูกออกซิไดซ์ (oxidised) ส่วนคาโถดนั้นจะถูกรีดิวซ์ (reduced)
อิเลคทรอไลท์นั้นเป็นสารเคมีเฉพาะ ซึ่งยอมให้การแลกเปลี่ยนของออกซิเจนระหว่างอาโนดและคาโถดเกิดขึ้น โดยแท่งอาโนดและคาโถดไม่จำเป็นต้องมาแตะก้น ในกรณีนี้สารอิเลคทรอไลท์จะเป็นตัวนำอนุภาคของออกซิเจน (ซึ่งมีประจุลบ) ซึ่งเกิดขึ้นที่คาโถดเคลื่อนที่ข้ามไปสู่อาโนด ดังนั้นคาโถดจึงถูกรีดิวซ์ ส่วนอาโนดจะถูกออกซิไดซ์ ซึ่งเงื่อนไขในกรณีนี้จะไม่เกิดขึ้นถ้าเซลอยู่ในลักษณะรูปที่ 7 ถึงแม้ว่าเราจะพูดว่าเกิดความต่างศักย์ขึ้น (ซึ่งหมายถึงแรงดันไฟฟ้า) ในการที่ประจุของออกซิเจนจะไปรวมตัวกับโลหะที่แท่งอาโนด อนุภาคแต่ละอนุภาคของโลหะจะต้องปล่อยอิเลคตรอนออกมา ในขณะเดียวกับที่อนุภาคของออกซิเจนจะออกจากแท่งคาโถด และเข้าไปในสารอิเลคทรอไลท์จะต้องได้รับประจุมา
เราสามารถใช้ความต่างศักย์นี้ให้เป็นประโยชน์ ถ้าเราต่อวงจรไฟฟ้าเข้ากับขั้วของแท่งอาโนดและคาโถด ดังแสดงในรูปที่ 8 ในกรณีนี้อิเลคตรอนซึ่งมาจากการปล่อยของออกซิเจนเพื่อที่จะไปรวมตัวกับแท่งอาโนด จะเคลื่อนที่จากแท่งอาโนดเข้าไปในวงจรผ่านหลอดไฟ (ทำให้หลอดไฟสว่างขึ้น) และเคลื่อนกลับไปสู่แท่งคาโถดซึ่งมันสามารถประจุอนุภาคของออกซิเจนได้ดีกว่า การไหลของประจุอิเลคตรอนจะทำให้เกิดการไหลของกระแสขึ้นในวงจนที่อยู่จนกระทั่งแท่งคาโถดไม่มีอนุภาคของออกซิเจน หรือจนกระทั่งอาโนดถูกออกซิไดซ์หมดแล้ว ที่จุดนี้เรากล่าวได้ว่า เซลคายประจุออกอนุภาคของประจุที่ไหลผ่านอิเลคทรอไลท์เรียกว่า อิออน (ion) ซึ่งจะมาจากสารอื่นๆ ได้หลายชนิด ไม่เฉพาะแต่ออกซิเจนเท่านั้น ขึ้นอยู่กับเซลแต่ละชนิดและอิเลคทรอไลท์ที่ใช้ซึ่งก็ใช้หลักการเดียวกัน
เนื่องจากการใช้อิเลคทรอไลท์แตกต่างกัน ตลอดจนใช้อาโนดและคาโถดที่แตกต่างกัน ทำให้สามารถผลิตเซลชนิดต่างๆ ซึ่งมีราคาตลอดจนคุณสมบัติแตกต่างกัน เราจะมาศึกษาดูถึงตัวแปรที่แตกต่างกันของเซลทั้งหมด ซึ่งเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุดเพื่อที่จะได้รับทราบข้อเปรียบเทียบของเซลแต่ละชนิด เมื่อได้ไปสัมผัสกับมัน
รูปที่ 7 เป็นเซลแบบพื้นฐานแสดงถึงอาโนดคาโถด และอิเลคทรอไลท์
รูปที่ 8 เป็นการทำงานของเซลแบบพื้นฐานในกรณีนี้ใช้ทำให้หลอดไฟฟ้าสว่างขึ้นมา
แรงดันกับความต้านทาน
ความต่างศักย์ภายนอกของเซลนั้น เรียกกันว่าเป็นแรงเคลื่อนไฟฟ้า (electro motive force หรือย่อว่า EMF) ค่าที่แน่นอนนั้น (โดยปกติจะอยู่ประมาณ 1.5 โวลท์) จะขึ้นอยู่กับชนิดของวัตถุที่นำมาเป็นอาโนดและคาโถด และชนิดของสารอิเลคทรอไลท์ นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและอายุของเซล สำหรับเซลใหม่แรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงสุด (rated) อยู่เล็กน้อยคือประมาณ 1.6 โวลท์ และจะตกลงมาเป็นค่าต่ำประมาณ 1.2 โวลท์ เมื่อเซลเก่าและคายประจุหมด
การแปรเปลี่ยนไปของแรงเคลื่อนไฟฟ้าของเซลแม้ว่าจะเป็นสิ่งสำคัญ แต่ก็ไม่เจาะจงนัก เนื่องจากวงจรอิเลคทรอนิคส์หลายชนิดไม่ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่คงที่และสม่ำเสมอในการทำงาน อย่างไรก็ตามมีอีกสิ่งหนึ่งที่สำคัญกว่า นั่นคือ ความต้านทานภายในของเซล (internal resistance) ภายในตัวเซลเองเกิดจากโครงสร้างและสารที่ใช้ทำ ค่าความต้านทานภายในนี้ ไม่สามารถละทิ้งได้ แต่จะมีค่าน้อยมากซึ่งขึ้นอยู่กับเซลแต่ละชนิด
รูปที่ 9 ก.,ข.และ ค.เป็นวงจรเทียบเท่า (ในรูปที่8) ของเซลขนาด1.5โวลท์ แสดงถึงความต้านทานภายในเซล
เราจะเห็นผลของค่าความต้านทานภายใน ถ้าเราดูตามแผนผังในรูปที่ 9 ก. ซึ่งเป็นวงจรเทียบเท่าของเซลไฟฟ้า ซึ่งจะประกอบด้วยตัวกำเนิดแรงดันต่ออนุกรมอยู่กับตัวต้านทาน โดยที่ตัวกำเนิดแรงดันจะแทนความต่างศักย์ของอาโนดคาโถด และอิเลคทรอไลท์ร่วมกัน ในขณะที่ตัวต้านทานนั้นจะแทนความต้านทานภายในของเซลไฟฟ้า
ในรูป 9. ข. แสดงให้เห็นเซลไฟฟ้า ซึ่งมีตัวกำเนิดแรงดันค่า 1.5 โวลท์ และมีค่าความต้านทานภายใน (R1) ค่า 10 โอห์ม ต่ออยู่กับความต้านทานซึ่งเป็นวงจรภายนอก มีค่า 1.5 กิโลโอห์ เราสามรถคำนวณค่าของกระแสที่ไหลผ่านวงจรโดยใช้กฎของโอห์มว่า
I = ( 1.5 / 1500 ) = 1mA...... มิลลิแอมป์
อย่างไรก็ตาม ค่าความต้านทานภายในเซลที่ต่ออนุกรมอยู่ก็มีผลต่อค่ากระแส และต้องนำเข้ามาคิดด้วย โดยวงจรจะเขียนใหม่เป็นดังรูปที่ 9 ค. ซึ่งเราจะเห็นตัวต้านทาน 2 ตัวติดต่อกันอยู่เป็นวงจรแบ่งแรงดัน ซึ่งแรงดันที่ตกคร่อมตัวต้านทานภายนอกค่า 1.5 กิโลโอห์ม นั้นเท่ากับ
V R 2 = ( R2 / ( R1+R2 ) ) X 1.5
= ( 1500 / ( 10+ 1500 ) ) X 1.5
= 1.49 โวลท์
ซึ่งต่ำกว่าที่เราคาดไว้ และค่ากระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานภายนอกเท่ากับ
I = ( 1.49 / 1500 ) = 0.99 mA
ซึ่งมีค่าต่ำลงเล็กน้อย ค่าแรงดันและกระแสที่ต่ำลงเพียงเล็กน้อยไม่มีผลเพียงพอที่จะกระทบการทำงานของวงจร ลองมาดูวงจรใหม่ในรูปที่ 10 ซึ่งวงจรภายนอกที่นำมาต่อมีความต้านทานทั้งหมดเพียง 5 โอห์ม เหมือนกับตัวอย่างที่แล้ว เราจะคำนวณค่ากระแสในวงจรตอนแรก เมื่อยังไม่คิดถึงความต้านทานภายในเซล ได้ค่ากระแสเท่ากับ
I = ( 1.5 / 5 ) = 300 mA
แต่เมื่อนำเอาค่าความต้านทานภายในเซลมาคิดด้วย ค่าแรงดันจริงๆ ที่ตกคร่อมความต้านทานภายนอก คือ
V R 2 = ( 5 / ( 10+5 ) ) x 1.5 = 0.5 V
ค่ากระแสจริงๆ ที่ไหลผ่าน คือ
I = ( 0.5 / 5 ) = 100 mA
ซึ่งค่าแรงดันและกระแสที่ลดต่ำลงอย่างมากนี้ จะมีผลกระทบอย่างมากมายต่อการทำงานของวงจรภายนอกที่นำมาต่อด้วยไม่เฉพาะแต่ความต้านทานภายในเซลจะไปลดค่ากระแสที่ไหลผ่านวงจร ภายนอกซึ่งเซลจะจ่ายออกไป แต่ยังเป็นการสูญเสียพลังงานอีกด้วย โดยจากตัวอย่างข้างต้นแรงดันที่ตกคร่อมความต้านทานภายในเซลเป็น 1.5 – 0.5 = 1 โวลท์ ทำให้เกิดกำลังงานสิ้นเปลืองไปเท่ากับ
P = ( V2 / R ) = (1/10 ) = 0.1 W
ซึ่งจะสูญเสียไปเป็นความร้อน เนื่องมาจากความต้านทานภายในเซลตัวเซลจะอุ่นขึ้นซึ่งจะเป็นการเพิ่มค่า ความต้านทานภายในขึ้นอีกและจะมีผลให้ค่าแรงดันที่ตกคร่อมขึ้นอีก วนเวียนกันเป็นวัฏจักรไปเรื่อยๆ ซึ่งเป็นกรณีที่เลวร้าย ทำให้วงจรภายนอกที่นำมาต่อกระแสไฟฟ้าไม่พอเลี้ยงให้วงจรทำงานต่อไปได้ และถึงแม้ว่ากระแสจะพอเลี้ยงวงจรได้ พลังงานที่สูญเปล่านี้ก็จะไปลดอายุการใช้งานของเซลลง
ดังนั้น จะเห็นว่าค่าความต้านทานภายในเซลจะเริ่มมีความสำคัญ ถ้ากระแสที่จ่ายออกจากเซลมีค่ามาก โดยการลดค่าของความต้านทานภายในเซลลง ผลกระทบเนื่องจากความต้านทานภายในเซลก็จะลดน้อยลง แต่ก็ยังไม่สามารถลดลงจนเป็นศูนย์ได้
กำลังงานต่อชั่วโมง
คุณลักษณะสำคัญอันหนึ่งของเซลไฟฟ้า ซึ่งเราจำเป็นต้องศึกษาก่อนที่จะรู้ถึงชนิดของเซลแบบต่างๆ นั้น ก็คือ ค่าความจุของเซล (cell capacity) ซึ่ง คือปริมาณของกระแสไฟฟ้าซึ่งเซลหนึ่งๆ สามารถจ่ายออกไปได้ภายในช่วงระยะเวลาหนึ่ง ยกตัวอย่างเช่น เซลไฟฟ้าเซลหนึ่งมีความจุ 1,000 มิลลิแอมป์ชั่วโมง หมายความว่า (โดยการไม่คิดถึงค่าความต้นทานภายในเซล) เซลนี้สามารถจ่ายกระแสได้ 1,000 มิลลิแอม เป็นระยะเวลา 1 ชั่วโมง หรือจ่ายกระแสได้ 100 มิลลิแอมป์เป็นเวลา 10 ชั่วโมง หรือจ่ายกระแสได้ 20 มิลลิแอมป์ เป็นเวลา 50 ชั่วโมง เป็นต้น
แต่ถ้ากล่าวถึงค่าความจุกระแสของเซลในรูปของมิลลิแอม – ชั่วโมง โดยลำพัง ไม่ได้หมายถึงความจุทั้งหมดของเซล บางครั้งเราจะคำนึงถึงค่าแรงดันของเซลเป็นส่วนหนึ่งของค่าความจุของเซลด้วย ซึ่งทำได้โดยการคูณค่าความจุกระแสของเซลด้วยค่าแรงดันของเซล ซึ่งจากตัวอย่างแรงดันของเซลเท่ากับ 1.5 โวลท์ ดังนั้น มันจะมีความจุของพลังงานทั้งหมดอยู่ในหน่วยของมิลลิวัตต์-ชั่วโมง เช่น
1000 X1.5 V = 1500 mWh
รูปที่10 แสดงถึงผลของความต้านทานภายใน ซึ่งมีผลกระทบต่อการทำงานของวงจรที่ภาวะกระแสสูงๆ
เซลแบบสังกะสี – ถ่าน (Zinc Carbon Cell)
เซลแบบสังกะสี – ถ่านที่ใช้กันอยู่ในปัจจุบันนี้ ได้หลักการมาจากเซลแบบเริ่มแรกที่พัฒนาขึ้นโดยวิศวกรชาวฝรั่งเศส ชื่อ จอร์จ เลอคลังเช่ ในปี พ.ศ. 2409 ซึ่งลักษณะเป็นโถแก้ว โดยมีแมงกานีสไดออกไซด์เหลว ซึ่งทำหน้าที่เป็นคาโถดบรรจุในหม้อรูพรุน โดยตัวหม้อจะถูกล้อมรอบด้วยแอมโม-เนี่ยมคลอไรด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นอิเลคทรอไลท์ โดยมีแท่งสังกะสีจุ่มอยู่ในอิเลคทรอไลท์ทำหน้าที่เป็นอา-โนด การต่อออกมาจากแมงกานีสไดออกไซด์ ซึ่งเป็นคาโถดจะต่อโดยใช้แท่งถ่าน ส่วนเซลแบบสังกะสี – ถ่าน ในปัจจุบันนี้ได้พัฒนาขึ้นมาเป็นระยะเวลายาวนานนับจากวันของเซลแบบเลอคลังเช่ ซึ่งรู้จักในนามของเซลแบบเปียก (wet cell) เนื่องจากลักษณะของส่วนผสมของอิเลคทรอไลท์
ตัวถังภายนอกของเซลแบบแห้งสมัยใหม่นี้ทำจากโลหะสังกะสีและทำหน้าที่เป็นอาโนด ภายในตัวถังสังกะสีจะเป็นชั้นบางๆ ซึ่งแยกอาโนดออกจากคาโถดและบรรจุไว้ด้วยอิเลคทรอไลท์จนเต็ม อิเลคทรอไลท์นั้นเป็นส่วนผสมของแอมโมเนียมคลอไรด์และซิงค์คลอไรด์ ซึ่งมีฤทธิ์เป็นกรดอ่อนๆ คาโถดนั้นจะประกอบด้วยผงแมงกานีสไดออกไซด์ผสมกับผงถ่านและอิเลคทรอไลท์ ทำให้มีลักษณะเหลวๆ และภายในจะสอดแท่งถ่านไว้ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวสะสมกระแส ภายนอกตัวถึงจะห่อด้วยกระดาษหลายชั้น และชั้นนอกสุดจะเป็นแผ่นพลาสติกบางๆ หุ้มอยู่
โดยการเปลี่ยนส่วนผสมของอิเลคทรอไลท์จะสามารถทำเซลแบบสังกะสี – ถ่านได้หลายแบบ ซึ่งเหมาะกับงานแต่ละชนิด ยกตัวอย่างเช่น อิเลคทรอไลท์ที่ทำจากซิงค์คลอไรด์อย่างเดียว จะทำให้ได้เซลที่มีค่าความต้านทานภายในต่ำลง ทำให้เหมาะกับงานหนักที่ต้องจ่ายกระแสสูง เช่นเดียวกับการใช้ส่วนผสมของแมงกานีสไดออกไซด์ ที่มีคุณภาพเป็นคาโถดก็จะให้ผลเช่นเดียวกัน
เซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีส (Alkaline Manganese Cell)
ในเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีสนั้น สารที่ใช้ทำอาโนดและคาโถดใช้สังกะสี และแมงกานีสไดออกไซด์ เช่นเดียวกับเซลแบบสังกะสี – ถ่าน โดยที่อาโนดนั้นประกอบด้วยผงสังกะสีซึ่งทำให้เพิ่มพื้นที่ผิวขึ้น จะผสมกับอิเลคทรอไลท์รวมกันอยู่ในลักษณะเหลวๆ
รูปแสดงโครงสร้างของเซลแบบเลอคังเช่ (Lechanche cell)
แมงกานีสไดออกไซด์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นคาโถดของเซลแบบอัลคาไลท์แมงกานีสนั้น ทำมาจากสารที่บริสุทธ์กว่า ซึ่งรู้จักกันในนามของอิเลคทรอไลติค แมงกานีสไดออกไซด์ ซึ่งผลิตขึ้นมาเพื่อให้มีความจุของออกซิเจนเพิ่มขึ้น ส่วนผสมของโปตัสเซี่ยมไฮดรอกไซด์ ซึ่งเรียกว่า อัลคาไลน์นั้นจะมีค่าความนำไฟฟ้าสูงมาก ทำหน้าที่เป็นอิเลคทรอไลท์ โดยการใช้อิเลคทรอไลท์และสารที่ใช้ทำอาโนด และคาโถดที่มีคุณภาพสูงทำให้เซลชนิดนี้เหมาะสำหรับงานหนักทที่ใช้กระแสสูง เป็นเซลที่มีคุณภาพสูงพร้อมทั้งมีค่าความต้านทานภายในต่ำ และมีค่าความจุพลังงานสูง
รูปที่ 11 แสดงถึงโครงสร้างภายในของเซลแบบสังกะสี - ถ่าน
รูปที่ 12 แสดงถึงโครงสร้างภายในของเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีส
รูปที่13 แสดงถึงโครงสร้างของเซลปรอทแบบกระดุม ส่วนเซลซิวเวอร์แบบกระดุม และเซลแบบสังกะสี อากาศ ก็มีโครงสร้างเหมือนกัน
เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างของเซลแบบสังกะสี – ถ่านแล้ว เซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีสในรูปที่ 12 นั้นจะกลับกันกับเซลแบบสังกะสี – ถ่าน กล่าวคือส่วนที่เป็นอาโนดจะอยู่ภายใน ส่วนที่เป็นคาดถดจะอยู่ภายนอก ตัวถังที่ใช้บรรจุนั้นทำจากเหล็ก จะไม่เหมือนกับตัวถังสังกะสีของเซลแบบสังกะสี – ถ่าน เนื่องจากไม่ได้เป็นส่วนหนึ่งของขบวนการเคมีในการผลิตกระแสไฟฟ้าออกมาจึงไม่มีการผุพังเมื่อมีการใช้งาน มันมีหน้าที่ในการเป็นตัวเพิ่มความแข็งแรง และป้องกันการรั่วไหลของส่วนผสมภายในเซลแท่งโลหะตรงกลาง ที่ทำหน้าที่เป็นตัวสะสมกระแสซึ่งมีรูปเหมือนตะปูนั้น จะต่อโดยตรงกับอาโนด
แรงเคลื่อนไฟฟ้าภายในเซลนั้น เนื่องจากใช้โลหะและออกไซด์ชนิดเดียวกัน ในการทำเป็นอาโนดและคาโถดเช่นเดียวกันกับเซลแบบสังกะสี – ถ่าน จึงมีค่าโดยปกติ 1.5 โวลท์
เซลแบบกระดุม (Button Cell)
ในบรรดาเซลที่มีขนาดเล็กที่สุดและเบาที่สุดเมื่อเทียบกับค่าความจุของเซลนั้น คงจะไม่มีชนิดใดจะเกินเซลแบบกระดุมไปได้ ซึ่งเซลชนิดนี้ใช้สำหรับจ่ายกำลังงานในนาฬิกาข้อมือดิจิตอล ในอุปกรณ์ช่วยฟังสำหรับคนหูตึง เครื่องคิดเลขและอุปกรณ์การถ่ายรูป มีรูปแบบและชนิดต่างๆ มากมายโดยจะพิจารณาชนิดหลักๆ กัน
เซลแบบปรอทดังแสดงในรูปที่ 13 จะมีส่วนผสมของโปตัสเซียมไฮดรอกไซด์ที่มีน้ำเป็นส่วนผสมอยู่ด้วย ทำหน้าที่เป็นอิเลคทรอไลท์ ผิวหน้าด้านบนภายในเซลเป็นทองแดง ซึ่งจะเหมาะที่จะทำปฏิกิริยาไฟฟ้า – เคมี กับสังกะสี ซึ่งจะลดการสึกกร่อนสิ้นเปลืองให้น้อยที่สุด ตัวเซลภายนอกทำมาจากเหล็กชุบนิเกิ้ล ซึ่งจะต้านทานต่อการกัดกร่อนของอิเลคทรอไลท์ได้อย่างดี
คาโถดนั้นทำมาจากออกไซด์ของปรอท ซึ่งมีความจุของออกซิเจนสูง ถึงแม้ว่าจะมีราคาแพงก็ตาม แต่ก็ให้ผลคุ้มค่า เนื่องจากมีอัตราส่วนระหว่างพลังงานต่อน้ำหนักและปริมาตรมีค่าสูง แรงดันเซลโดยปกติจะเท่ากับ 1.35 โวลท์ ส่วนค่าความต้านทานภายในจะมีค่าแน่นอนและมีค่าต่ำ
เซลแบบซิลเวอร์ออกไซด์ (Silver Oxide Cell)
สารที่ใช้ทำคาโถดของเซลแบบกระดุมอีกชนิดหนึ่ง คือ ออกไซด์ของเงิน ซึ่งโครงสร้างของเซลชนิดนี้จะเหมือนกับแบบปรอท แต่เซลชนิดนี้สามารถจ่ายแรงดันออกมาได้สูงกว่าเป็น 1.55 โวลท์ นอกจากนี้ความต้านทานภายในเซลก็ยังมีค่าต่ำ เซลชนิดนี้จึงเหมาะกับการใช้งานที่กระแสสูงๆ เช่น อุปกรณ์ที่มีตัวแสดงเป็น LED เป็นต้น
ผลรวมของอัตราส่วนระหว่างพลังงานต่อน้ำหนักและปริมาตร ซึ่งมีค่าสูง การผนึกอย่างดีเยี่ยม และอายุการเก็บรักษาได้นาน (ซึ่งคล้ายกับแบบปรอท) ทำให้เซลแบบซิลเวอร์ออกไซด์เป็นทางเลือกที่ดีเมื่อต้องคิดถึงเรื่องเนื้อที่สำหรับติดตั้งเซลเป็นอันดับแรก อย่างไรก็ตามออกไซด์ของเงินก็เป็นสารที่มีราคาแพงมาก
เซลแบบสังกะสี – อากาศ (Zinc Air Cell)
เซลแบบสังกะสี – อากาศมีโครงสร้างและรูปร่างคล้ายกับเซลแบบซิลเวอร์ออกไซด์ และแบบปรอท ต่างกันก็เพียงแต่มีรูให้อากาศเข้าที่ด้านล่าง
ออกซิเจนจากอากาศรอบๆ เซลจะใช้ในการออกซิไดช์ ผงสังกะสีผสมกับอัลคาไลน์อิเลคทรอไลท์ ซึ่งเป็นอาโนด โดยผ่านเยื่อสังเคราะห์ จากความจริงที่ว่าอนุภาคของออกซิเจนจะถูกนำมาจากอากาศไม่ได้มาจากคาโถด จะทำให้เหลือเนื้อที่ภายในเซลมากขึ้นในการบรรจุอาโนด ดังนั้นเซลชนิดนี้จึงมีค่าความจุไฟฟ้าสูงกว่าเซลแบบปรอท และซิลเวอร์ออกไซด์ถึง 2 เท่าตัว
เซลแบบสังกะสี – อากาศจะมีอายุในการเก็บรักษานานเป็นพิเศษ ถ้ามันถูกผนึกก่อนจะถูกขนส่งไป ซึ่งตัวผนึกจะป้องกันอากาศเข้าทำปฏิกิริยากับภายในเซล เมื่อแกะตัวผนึกออกก็พร้อมที่จะใช้งานได้ทันที
ขนาดและจำนวนของรูอากาศ สามารถกำหนดปริมาณอากาศที่นำไปใช้ได้ ดังนั้นเซลชนิดนี้จึงสามารถที่จะผลิตขึ้นสำหรับงานเฉพาะอย่างได้ ยกตัวอย่างเช่น ในการใช้งานซึ่งต้องการกระแสใช้งานสูง จะเจาะรูใหญ่และจำนวนมาก ส่วนการใช้งานที่กระแสต่ำเป็นระยะเวลานานๆ จะเจาะรูอากาศขนาดเล็กเป็นจำนวนมาก ค่าแรงดันปกติของเซลชนิดนี้เท่ากับ 1.45 โวลท์
เซลแบบลิเธี่ยม (Lithium Cell)
โครงสร้างของเซลแบบลิเธี่ยม – แมงกานีสไดออกไซด์ แสดงในรูปที่ 14 ซึ่งมีลักษณะคล้ายกับเซลแบบกระดุมอื่นๆ เพีงแต่อาโนดเป็นลิเธี่ยมและคาโถดเป็นแมงกานีสไดออกไซด์
รูปที่ 14 แสดงถึงโครงสร้างของเซลลิเธี่ยมแบบกระดุม
ลิเธี่ยมเป็นสารที่มีปฏิกิริยาเร็วมาก ซึ่งนี่เป็นสารที่น่าดึงดูดในมากในการนำมาใช้เป็นอาโนดของเซล แต่ก็เป็นสารที่ต้องระมัดระวังไว้ด้วย โดยการจับถือและการประดิษฐ์ให้เป็นรูปร่างต่างๆ ต้องทำหน้าที่ปราศจากและสภาพแวดล้อมที่ไม่มีความชื้น
เนื่องจากปฏิกิริยาที่เร็วมากนี่เอง จึงทำให้เซลชนิดนี้มีค่าแรงดันสูงกว่าเซลทั่วๆ ไป คือสูงถึง 3.6 โวลท์ ซึ่งเหมาะสำหรับใช้กับงานหนักที่ต้องการแรงดันสูงกว่าปกติ
เราสามารถใช้อิเลคทรอไลท์ได้หลายๆ แบบในเซลแบบลิเธี่ยม ทำให้สามารถผลิตเซล ซึ่งมีคุณสมบัติต่างๆ กันมีระบบหนึ่งใช้อิเลคทรอไลท์แบบของแข็ง ซึ่งมีเสถียรภาพดีมาก แต่ก็มีค่าความต้านทานภายในเซลสูง ทำให้สามารถจ่ายกระแสได้ต่ำจึงสามารถจ่ายแรงดันได้เพียง 1.9 โวลท์
อิเลคทรอไลท์อีกตัวที่ใช้ในเซลแบบลิเธี่ยมนี้ก็คือ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ ซึ่งอยู่ในรูปของของเหลว ซึ่งจะทำให้เซลจ่ายแรงดันได้ถึง 3 โวลท์ อิเลคทรอไลท์อีกตัวซึ่งใช้กันคือ ไธโอนิลคลอไรด์ ซึ่งอยู่ในรูปของเหลว จะทำให้เซลจ่ายแรงดันออกมาได้ 3.6 โวลท์ ค่าแรงดันที่สูงขึ้นนี้เป็นไปได้เนื่องจากอิเลคทรอไลท์จะเป็นตัวทำอิเลคทรอไลท์ผสมกับคาโถด ทำให้กำเนิดความต่างศักย์ออกมาได้สูงกว่า
เซลแบบลิเธี่ยมทุกชนิด ซึ่งใช้อิเลคทรอไลท์แบบของเหลว จะทำให้ได้ความต้านทานภายในเซลต่ำลง ทำให้สามารถจ่ายกระแสได้เพิ่มขึ้น
เขาเลือกใช้กันอย่างไร
เราได้พบเซลแบบต่างๆ มากเพียงพอที่จะตัดสินถึงคุณสมบัติต่างๆ ของเซลแต่ละแบบ ต่อไปจะทำการเปรียบเทียบกันในรูปของน้ำหนัก ขนาด และคุณสมบัติในการใช้งานระหว่างเซลชนิดหลักๆ 2 ชนิด คือ เซลแบบสังกะสี – ถ่าน และเซลแบบอัลคาไลน์ – แมงกานีส รูปที่ 15 แสดงถึงกราฟแท่งเปรียบเทียบระหว่างเซลชนิดต่างๆ 7 ชนิดที่เราได้กล่าวมาแล้ว โดยพิจารณาถึงเรื่องน้ำหนักจะเห็นได้ชัดถึงเซลแบบสังกะสี – อากาศและแบบลิเธี่ยมจะมีน้ำหนักเบาเป็นพิเศษ
รูปที่ 15 เป็นกราฟแสดงการเปรียบเทียบความจุของเซลแบบต่างๆ เมื่อพิจารณาถึงน้ำหนักด้วย
รูปที่ 16 เป็นกราฟแสดงการเปรียบเทียบความจุของเซลแต่ละชนิด เมื่อพิจารณาถึงปริมาตรของเซล
รูปที่ 17 เป็นกราฟที่น่าสนใจ ซึ่งแสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างราคาของเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีส แบบสังกะสี – ถ่าน และแบบสังกะสี - ถ่านที่ใช้กับงานหนักโดยเทียบกับอัตราการใช้กระแส
ในรูปที่ 16 นั้นเป็นกราฟแท่งแสดงถึงเซลชนิดต่างๆ โดยพิจารณาเกี่ยวกับปริมาตร จะเห็นว่าเซลแบบซิลเวอร์ออกไซด์จะให้คุณสมบัติที่ดีที่สุดในเรื่องของขนาด
แต่ข้อเปรียบเทียบที่สำคัญที่สุดที่เราต้องการ และเป็นข้อแตกต่างที่เรายอมรับอย่างแน่นอน จะอยู่ในรูปของประสิทธิภาพ โดยพิจารณาถึงราคาต่อหน่วยเวลาที่ใช้ ความยุ่งยากจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากราคาขายปลีกของเซลแต่ละชนิด จะมีขอบเขตที่กว้าง แต่กระนั้นก็ตามข้อเสนแนะที่จะกล่าวต่อไปนี้ก็จะเป็นแนวทางที่มีเหตุมีผล
ถ้าจะพูดโดยทั่วไปแล้ว เซลแบบกระดุมชนิดต่างๆ นั้นจะนำไปใช้ในงานเฉพาะอย่างยิ่ง ซึ่งไม่สามารถใช้เซลชนิดอื่นแทนได้ เมื่อคำนึงถึงเรื่องประสิทธิภาพแล้วจะแบ่งออกเป็นชนิดใหญ่ๆ ได้ 3 ชนิด คือ แบบสังกะสี - ถ่าน แบบสังกะสี – ถ่านที่ใช้งานหนัก (heavy duty zinc carbon) และแบบอัลคาไลน์แมงกานีส ซึ่งทั้ง 3 ชนิดนี้ได้ถูกผลิตขึ้นมาโดยมีขนาดเท่ากัน และสามารถใช้ทดแทนกันได้ คำถามก็จะมีต่อไปว่าควรจะใช้แบบใดดี ระหว่างแบบสังกะสี – ถ่าน หรือแบบสังกะสี – ถ่านที่ใช้งานหนัก หรือแบบอัลคาไลน์แมงกานีสในงานเฉพาะอย่างหนึ่งๆ ในรูปที่ 17 จะอธิบายถึงกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างราคาของเซลทั้งสามชนิดเปรียบเทียบกับกระแสที่จ่ายได้ และแสดงให้เห็นถึงที่อัตรากาใช้กระแสสูงๆ (ประมาณ 100 มิลลิแอมป์หรือกว่านั้น) เซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีสจะมีราคาคุ้มค่ามากที่สุด
อย่างไรก็ตามที่จุดต่ำกว่า 100 มิลลิแอมป์นี้ เซลแบบสังกะสี - ถ่านที่ใช้งานหนักนั้นจะเหมาะสำหรับใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟประเภทเคลื่อนที่ได้
สำหรับที่ระดับกระแสต่ำๆ น้อยกว่า 20 มิลลิแอมป์หรือกว่านั้น เซลแบบสังกะสี - ถ่านธรรมดาจะเหมาะสมกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับแบบอัลคาไลน์แมงกานีส
จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าแบบอัลคาไลน์แมงกานีส จะมีข้อดีกว่าในเรื่องของความจุ กำลังงานและคุณภาพกล่าวคือ ในเซลแบบสังกะสี – ถ่านนั้น ตัวถังที่เป็นสังกะสี จะเข้าไปมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาไฟฟ้า – เคมีด้วย ทำให้ตัวถังเกิดการรั่วขึ้นมา ในสภาวะการณ์ทั่วไปแล้วเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีสจะทนทานกว่าเซลแบบสังกะสี – ถ่าน โดยเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีสจะช่วยจ่ายกระแสได้เป็นระยะเวลานานกว่า แต่ในย่านที่ใช้กระแสต่ำหรือปานกลางเป็นพักๆ นั้น การใช้เซลชนิดนี้ก็จะไม่เป็นการประหยัดเลย
| รูปที่ 18 เป็นกราฟแสดงถึงอัตราการใช้กระแสของเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เป็นตัวจ่ายกำลังงานให้ โดยปกติแล้วถ้าเกิดความร้อนขึ้นมาก (เช่นในไฟแฟลช) และมีส่วนทีเคลื่อนไหวมาก (เช่น กลไกการขับเคลื่อนกล้องถ่าย ภาพยนตร์ หรือเครื่องเล่นเทป จะต้องใช้กำลังงานเพิ่มมากตามไปด้วย) |
|
| รูปที่ 19 แสดงถึงเซลแบบสังกะสี – อากาศแบตเตอรี่ทั่วไปจะเสื่อมสภาพถ้าเก็บไว้เป็นระยะเวลานานโดยไม่ได้ ใช้แต่เซลแบบสังกะสี – อากาศจะถูกปิดผนึกไว้จนกว่าจะนำมาใช้ ซึ่งจะทำให้เก็บไว้ได้เป็นระยะเวลานานมาก จนแกะตัวผนึกออก โดยการดึงแถบที่ปิดอยู่ ดังรูปออกก็สามารถนำไปใช้งานได้ |
|
ในรูปที่ 18 แสดงให้เห็นตารางการใช้กระแสไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่ใช้กำลังจากเซลไฟฟ้า ในย่านกระแสใช้งานต่ำสุดและสูงสุด คุณจะได้ใช้เป็นเครื่องตัดสินใจว่า คุณควรจะเลือกใช้เซลไฟฟ้าชนิดใดกับเครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทใด จึงจะเหมาะสมและประหยัดที่สุด
เท่าที่กล่าวมาแล้วคงจะทำให้รู้จักเซลไฟฟ้าชนิดต่างๆ ขึ้นมาบ้าง ทราบถึงคุณลักษณะต่างๆ ของเซลไฟฟ้าแต่ละชนิด ซึ่งเซลไฟฟ้าเหล่านี้ส่วนใหญ่ก็มีการขายในเมืองไทยแทบทุกชนิดแล้ว ครั้งต่อไปที่คุณไปซื้อเซลไฟฟ้าก็เลือกได้เหมาะกับงานนะครับ
|
