| โครงสร้างแบตเตอรี่รถยนต์และแบตเตอรี่แบบต่างๆ
“คุณจะได้รู้จักกับแบตเตอรี่ที่สามารถประจุไฟเข้าไปใหม่ได้แบบต่างๆ ตลอดจนการนำไปใช้งาน ถึงแม้จะมีราคาแพง แต่ก็คุ้มค่าแก่การลงทุน”
ในตอนที่แล้ว ได้กล่าวถึงเซลแบบสังกะสี – ถ่าน แบบอัลคาไลน์ แมงกานีส แบบปรอท แบบซิลเวอร์ แบบสังกะสี – อากาศและแบบลิเธี่ยม ซึ่งเซลต่างๆ ที่กล่าวมานี้ถูกจัดอยู่ในเซลแบบปฐมภูมิ เมื่อพลังงานเคมีในตัวเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าหมดแล้ว ก็หมดสภาพในการเป็นแหลงจ่ายไฟอีกต่อไป แต่ยังมีเซลอีกแบบหนึ่ง เรียกว่าเซลแบบทุติยภูมิ (secondary cell) สามารถที่จะประจุไฟกลับใหม่ได้ โดยที่ปฏิกิริยาเคมี ซึ่งจ่ายเป็นพลังงานไฟฟ้าออกมานั้น เป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ การใช้เซลแบบทุติยภูมินี้ ทำให้เหมาะที่จะใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟมาก เนื่องจากถ้าเซลถูกใช้ไฟไปจนหมดแล้ว สามารถจะประจุกลับไปใหม่ เพื่อจะได้ใช้ต่อไปได้
เซลแบบทุติยภูมินี้จะมีราคาแพงกว่าเซลแบบปฐมภูมิ ในการลงทุนซื้อมาตอนแรก เนื่องจากจำเป็นที่จะต้องซื้อเครื่องประจุไฟมาด้วย แต่เมื่อคิดในระยะยาวแล้วเซลแบบทุติยภูมินี้ จะมีค่าใช้จ่ายถูกกว่า ซึ่งก็ขึ้นอยู่กับผู้ใช้ว่าจะเลือกใช้เซลชนิดใด ในบทความต่อไปนี้จะเป็นการเปรียบเทียบให้เห็นถึงค่าใช้จ่ายของการใช้เซลแบบทุติยภูมิ ที่กำลังนิยมใช้กันอยู่นี้ กับเซลแบบปฐมภูมิ
เซลแบบตะกั่ว – กรด (Lead Acid)
เซลแบบทุติยภูมิชนิดหนึ่งที่เป็นที่นิยมใช้กันมากก็คือ เซลแบบตะกั่วกรด ซึ่งใช้กันทั่วไปในรถยนต์ ตัวอย่างเซลชนิดนี้แสดงในรูปที่ 1 ซึ่งเราจะเห็นมันประกอบด้วยแผ่นคาโถด และแผ่นอาโนดวางสลับกันจุ่มอยู่ในอิเลคทรอไลท์ที่ทำจากสารละลายกรดกำมะถัน แผ่นเพลทจะวางสลับกัน เพื่อจะได้มีพื้นที่ผิวสัมผัสกับอิเลคทรอไลท์ได้มาก ในขณะที่รักษาปริมาตรให้น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นได้ สารที่มีพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างแผ่นอิเลคโทรด และอิเลคทรอไลท์มากเท่าไร ปฏิกิริยาเคมีก็จะเกิดขึ้นมากเท่านั้น นอกจากนี้ค่าความต้านทานภายในเซลจะยิ่งมีค่าน้อยลงด้วย ดังนั้นในการค้นคว้าจึงมุ่งทางด้านเพิ่มที่ผิวสัมผัส วิธีที่นิยมใช้กันก็คือใช้แผ่นเพลทบางๆ คั่นด้วยฉนวนแบบมีรูพรุน
อิเลคโทรดเป็นอาโนดจะสร้างขึ้นมาจากตะกั่วบริสุทธิ์ ในขณะที่คาโถดจะสร้างจากส่วนผสมของตะกั่วและตะกั่วเปอร์ออกไซด์ ในขณะที่เซลคายประจุให้กระแสไฟฟ้าออกมานั้น อะตอมของตะกั่วจากแผ่นอาโนดจะแตกตัวเป็นไอออนที่มีประจุบวกเข้าไปอยู่ในอิเลคทรอไลท์และทิ้งอิเลคตรอนให้ไหลเข้าสู่วงจรที่นำมาต่อภายนอก ดังแสดงในรูปที่ 2
 |
รูปที่ 1 ภาพแสดงโครงสร้างของเซลแบบตะกั่ว–กรด แผ่นอาโนดและคาโถดจะวางสลับกัน เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวระหว่างกัน |
 |
รูปที่ 2 ไอออนบวกของตะกั่วจะออกมา อาโนดเข้าไปในอิเลคทรอไลท์ อิเลคตรอนจะมีอิสระ ที่จะเข้าไปวงจรที่นำมาต่อภายนอก ซึ่งจะทำให้เกิดกระแสไหลจากคาโถดไปยังอาโน |
ที่คาโถด ตะกั่วเปอร์ออกไซด์จะแตกตัวเป็นไอออนของตะกั่ว ซึ่งมีประจุบวกสูง และเป็นไอออนที่มีประจุลบสูง ไอออนของตะกั่วที่มีประจุบวกสูงจะดึงเอาอิเลคตรอนจากวงจรที่ต่ออยู่ภายนอก เพื่อรวมตัวกลายเป็นอิออนตะกั่วที่มีประจุบวก ซึ่งเป็นชนิดเดียวกับอาโนดทำให้เกิดกระแสไหลจากคาโถดผ่านไปยังวงจรภายนอก
ไอออนของตะกั่วจากแผ่นอิเลคโทรดทั้งสองจะทำปฏิกิริยากับกรดกำมะถัน ซึ่งเป็นอิเลคทรอไลท์ กลายเป็นตะกั่วซัลเฟต (lead sulphate) (ซึ่งจะเห็นเป็นตะกอนสีขาวเกาะอยู่ที่อิเลคโทรดทั้งสอง) และก๊าซไฮโดรเจน (ซึ่งจะรวมกับอิออนของออกซิเจนจากคาโถดกลายเป็นน้ำ) เราสามารถจะเขียนสูตรสำหรับปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นได้ดังนี้
PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O
ซึ่งแสดง (โดยลูกศร 2 ทิศทาง) ว่าเป็นปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ ดังนั้นจึงสามารถที่จะประจุเซลใหม่โดยการต่อวงจร ซึ่งจะขับอิเลคตรอนให้ไหลจากคาโถดไปสู่อาโนด ดังจะเห็นวงจรต่อไป
สูตรทางเคมีแสดงให้เห็นว่าสารละลายอิเลคทรอไลท์ จะเจือจางลงโดยโมเลกุลของน้ำที่เกิดขึ้น ซึ่งเป็นขณะเดียวกับที่เซลคายประจุ ทำให้เราสามารถใช้เป็นวิธีการหาสถานะการประจุและคายประจุของเซลได้ โดยการวัดความถ่วงจำเพาะ (specific gravity) ของสารละลายอิเลคทรอไลท์ ซึ่งจะบอกว่าเซลใกล้จะถึงสถานะคายประจุหมดหรือยัง เพื่อจะได้ประจุไฟฟ้ากลับเข้าไปใหม่ โดยค่าความถ่วงจำเพาะของเซลที่ประจุมาเต็มที่จะมีค่าประมาณ 1.25 และค่าความถ่วงจำเพาะของเซลที่คายประจุหมดจะมีค่าระบุไว้ประมาณ 1.2 เราใช้ไฮโดรมิเตอร์ในการวัด แรงดันของเซลโดยปกติจะมีค่าเท่ากับ 2 โวลท์
เซลแบบตะกั่ว – กรดนี้มีโครงสร้างแบบที่กล่าวมาเป็นระยะเวลานานแล้ว การปรับปรุงให้เซลมีอายุการใช้งานนานขึ้น โดยที่แบตเตอรี่ที่มีการผนึกอย่างดี และมีอิเลคทรอไลท์เป็นของแข็งได้ถูกผลิตขึ้นมาแล้ว ซึ่งไม่ต้องมีการบำรุงรักษาเลย จึงสามารถนำไปใช้ที่ใดก็ได้ นับว่ามีประโยชน์ในการใช้แทนหรือใช้อย่างปกติแทนเซลแบบปฐมภูมิในเครื่องมือวัดแบบกระเป๋าหิ้ว เนื่องจากมันสามารถประจุไฟใหม่ได้ โครงสร้างของเซลแบบนี้ในแบเตอรี่ขนาด 6 โวลท์ แสดงไว้ในรูปที่ 3
 |
รูปที่ 3 โครงสร้างของแบตเตอรี่แบบตะกั่ว - กรดที่มีการปิดผนึก ซึ่งแบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถจะใช้ที่ใดก็ได้โดยจะไม่ปล่อยอิเลคทรอไลท์ออกมา ใช้ประโยชน์ในเครื่องมือแบบกระเป๋าหิ้ว |
ประจุกลับเข้าไปใหม่
การประจุเซลแบบตะกั่ว – กรดนั้น สามารถทำได้อย่างง่ายๆ โดยการป้อนกระแสกลับทางเข้าไปในแบตเตอรี่ เพื่อบังคับให้ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น เกิดจากทางขวามือไปทางซ้ายมือ ซึ่งจะเปลี่ยนตะกั่วซัลเฟตให้กลับเป็นตะกั่วและกรดกำมะถันตามเดิม วิธีการที่ง่ายที่สุดในการป้อนกระแสกลับทางก็โดยการต่อขั้วคาโถด (ขั้วบวก) และขั้วอาโนด (ขั้วลบ) เข้ากับขั้วบวกและขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟฟ้าภายนอก แรงดันของแหล่งจ่ายไฟภายนอกนี้จะอยู่ในช่วง 1.1 ถึง 1.25 เท่าของแรงดันของเซลโดยปกติ ดังนั้นเซลแบบนี้เซลเดียว ซึ่งมีแรงดันปกติ 2 โวลท์ สามารถที่จะประจุเข้าไปด้วยแรงดันระหว่าง 2.2 โวลท์ถึง 2.5 โวลท์ ตัวอย่างที่เห็นได้ง่ายๆ ก็คือแบตเตอรี่รถยนต์ (ซึ่งแรงดันปกติเท่ากับ 12 โวลท์เนื่องจากประกอบด้วยเซล 6 เซลอนุกรมกัน) จะถูกประจุโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือไดนาโมและผ่านชุดรักษาระดับแรงดันให้เป็นไฟตรงมีค่าแรงดันคงที่ที่ 14 โวลท์
เป็นที่เห็นได้ชัดว่า กระแสที่ป้อนเข้าไปเมื่อประจุไฟใหม่นั้นขึ้นอยู่กับแรงดันที่ป้อนเข้าไป นอกจากนั้นยังขึ้นอยู่กับสถานนะของเซลว่าคายประจุหมดเต็มที่หรือไม่ ถ้าแรงดันที่ป้อนเข้าประจุไฟมีค่าสูงและเซลคายประจุหมดเต็มที่แล้ว จะทำให้กระแสที่ไหลเข้าประจุเซลจะมีค่ามากตามไปด้วย หรือถ้าเซลถูกใช้แบบเป็นวงรอบ (cyclic) คือจากสถานะประจุเต็มไปสู่สถานะหมดประจุเต็มที่แล้วจึงค่อยประจุใหม่อีกครั้ง จะใช้กระแสในการประจุมากตามไปด้วย แต่ถ้าเซลถูกใช้งานพร้อมกับประจุไฟเข้าตลอดเวลา เช่นในแบตเตอรี่รถยนต์แล้ว กระแสที่ใช้ในการประจุก็จะมีค่าต่ำ ซึ่งก็เป็นเหตุผลที่ว่าทำไมแบตเตอรี่รถยนต์ขนาด 12 โวลท์ จึงใช้แรงดันในการประจุเพียง 14 โวลท์ ซึ่งประมาณ 1.17 เท่าของแรงดันปกติของแบตเตอรี่
วงจรที่ใช้ในการประจุแบตเตอรี่แบบตะกั่ว – กรดนี้ แสดงในรูปที่ 4 ก. ซึ่งแสดงให้เห็นแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่มีแรงดันคงที่อยู่กับแบตเตอรี่ วงจรสมมูลย์ของรูปที่ 4 ก. แสดงให้เห็นในรูปที่ 4 ข. ซึ่งเราจะเห็นว่าแบตเตอรี่จะถูกพิจารณาว่าประกอบด้วยตัวต้านทาน 2 ตัว โดยตัวต้านทาน R1 จะเป็นค่าความต้านทานภายในของแบตเตอรี่เอง จะมีอยู่ในแบตเตอรี่เสมอไม่ว่าแบตเตอรี่นั้นกำลังประจุหรือคายประจุอยู่ ส่วนตัวต้านทาน R2 นั้นจะมีค่าเปลี่ยนแปลงไปโดยขึ้นอยู่กับสถานการณ์หมดประจุของแบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่คายประจุหมดเต็มที่ ค่าความต้านทานตัวนี้จะมีค่าสูง อย่างไรก็ตามเมื่อแบตเตอรี่ใกล้หมด หรือประจุจนเต็มที่แล้ว ค่าความต้านทาน R2 นี้จะมีค่าสูงขึ้น ทำให้กระแสที่ใช้ในการประจุมีค่าลดลง
เราสามารถที่จะตรวจสอบสถานการณ์ประจุของแบตเตอรี่ได้ โดยการสังเกตค่าของกระแสที่ใช้ในการประจุ ซึ่งจะใช้ได้ก็ต่อเมื่อแรงดันที่ใช้ในการประจุมีค่าคงที่ (โดยการใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีการรักษาระดับแรงดันออกให้คงที่) แบตเตอรี่รถยนต์โดยทั่วไป ตัวอัดประจุให้แก่แบตเตอรี่จะจ่ายแรงดันออกมาไม่คงที่ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้วิธีการดูกระแสในการบอกสถานการณ์ประจุของแบตเตอรี่ได้อย่างถูกต้อง
เราสามารถที่จะใช้วิธีประจุอย่างรวดเร็วแก่แบตเตอรี่ชนิดนี้ได้ โดยใช้แรงดันคงที่ขนาด 1.25 เท่าของแรงดันปกติของแบตเตอรี่ โดยคอยสังเกตระดับกระแสที่ประจุไว้ และการประจุจะสิ้นสุดเมื่อระดับกระแสที่ประจุตกลงมาถึงค่ากระแสสุดท้ายในการประจุ ซึ่งจะบ่งบอกโดยผู้ผลิตแบตเตอรี่ชนิดนั้น ภายใต้เงื่อนไขนี้การประจุจะเต็ม (จากตอนที่แบตเตอรี่หมดประจุเต็มที่จนถึงประจุโดยสมบูรณ์) ภายในเวลา 5 ชั่วโมง ถ้าเราไม่สามารถรักษาระดับแรงดันในการประจุได้คงที่อยู่ได้ ก็ไม่สมควรที่จะใช้วิธีประจุอย่างรวดเร็ว ทั้งนี้เนื่องจากจะทำความเสียหายแก่เซลจนไม่สามารถแก้ไขได้ ในกรณีนี้จึงควรใช้แรงดันในการประจุน้อยลงเป็นประมาณ 1.1 ถึง 1.2 เท่าของแรงดันปกติของแบตเตอรี่จึงจะดีที่สุด โดยใช้เวลาในการประจุเกินกว่า 20 ชั่วโมงขึ้นไป
 |
รูปที่ 4 ก. แสดงการประจุแบตเตอรี่แบบ ตะกั่ว – กรด โดยใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีแรงดันคงที่ขนาด 1.1 ถึง 1.25 เท่าของแรงดันปกติของแบตเตอรี่ ข. เป็นวงจรสมมูลย์ของวงจรประจุแบตเตอรี่ในรูปที่ 4 ก. |
เซลแบบนิกเกิล – แคดเมียม (Nickel Cadmium)
เซลแบบทุติยภูมิชนิดที่สองที่จะกล่าวถึงก็คือ เซลแบบนิกเกิล – แคดเมียม เรียกกันย่อๆ ว่า นิ – แคด บางครั้งเซลแบบนิ – แคด นี้จะถูกเรียกว่า เซลแบบ DEAC ซึ่งเป็นชื่อย่อของบริษัทแรกที่ผลิตขึ้นมา คือ Dertsche Edison Akkulumulatoren Company ซึ่งอยู่ในเยอรมัน
ขั้วบวกของเซลแบบนิแคดนี้ทำจากนิกเกิลไฮเดรท (nickel hydrate) ส่วนขั้วลบนั้นทำจากแคดเมี่ยมไฮดรอกไซด์ (cadmium hydroxide) อิเลคทรอไลท์ทำจากสารละลายโปตัสเซียมไฮดรอกไซด์ (potassium hydroxide) ซึ่งก็เหมือนกับเซลแบบตะกั่วกรดคือ ปฏิกิริยาเคมีในการประจุและคายประจุ เป็นดังนี้
Cd + 2NiOOH + 2H2O = Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
โดยสถานะประจุเต็มที่ คือทางด้านซ้ายมือ และสถานะหมดประจุเต็มที่อยู่ทางด้านขวามือ ในเซลที่ได้รับการประจุจนเต็ม ขั้วลบจะเป็นแคดเมี่ยมบริสุทธิ์ ซึ่งจะถูกออกซิไดซ์ (oxidised) ในระหว่างการคายประจุ ส่วนขั้วบวกจะค่อยๆ ลดระดับในการเกิดออกซิเดชั่น (oxidation) ระหว่างการคายประจุ
 |
รูปที่ 5 ภาพแสดงโครงสร้างของเซลแบบนิแคดรูปกระดุม ใช้ขั้วที่ผ่านการเผาเพื่อให้มีพื้นผิวสัมผัสมาก และให้ก๊าซออกซิเจนวิ่งไประหว่างขั้วบวก และลบได้อย่างรวดเร็ว |
ในระหว่างการประจุนอกจากปฏิกิริยาหลักที่เกิดขึ้นที่ขั้วบวกแล้วนั้น จะมีปฏิกิริยาข้างเคียงเกิดขึ้นด้วย ซึ่งจะก่อให้เกิดก๊าซออกซิเจน แต่ก็ไม่เป็นปัญหา เนื่องจากก๊าซออกซิเจนสามารถเคลื่อนที่จากขั้วบวกไปรวมตัวกับขั้วลบ
ปฏิกิริยาข้างเคียงที่เกิดขึ้นที่ขั้วลบจะผลิตก๊าซไฮโดรเจนขึ้น โดยจะเกิดขึ้นเมื่อขั้วลบอยู่ในสถานะประจุเต็มที่ โดยเราจะแน่ใจได้ว่าก๊าซไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจะไม่รั่วไหลออกไป ถ้าทำให้ขนาดของขั้วลบใหญ่กว่าขั้วบวก
เราจะเห็นได้ว่าเมื่อเซลถูกประจุจนเต็ม กระแสที่ไหลผ่านเซลทั้งหมดจะใช้ในการผลิตก๊าซออกซิเจนที่ขั้วบวก ซึ่งจะผ่านไปรวมตัวกันที่ขั้วลบ ซึ่งโครงสร้างของเซลเป็นส่งที่จำเป็นมากที่จะต้องสร้างให้มีทางให้ก๊าซออกซิเจนมารวมตัวได้ ถ้าไม่เช่นนั้นแล้วก๊าซออกซิเจนที่เกิดขึ้นจะทำให้เกิดความเสียหายขึ้นได้ โครงสร้างของเซลแบบนิแคดรูปกระดุมแสดงในรูปที่ 5 ซึ่งเราจะเห็นว่าเราสร้างด้วยแผ่นเพลทที่ผ่านการเผา เพื่อให้แผ่นเพลทมีรูพลุนมากๆ เพื่อช่วยในก๊าซออกซิเจนวิ่งจากขั้วบวกไปสู่ขั้วลบได้สะดวกขึ้น แผ่นเพลทที่ผ่านการเผานี้จะเป็นประโยชน์โดยช่วยเพิ่มหน้าสัมผัสของแต่ละขั้ว ถ้าเซลแบบกระดุมนี้ถูกประจุมากเกินไป ด้วยกระแสซึ่งจะทำให้เกิดก๊าซออกซิเจนมากเกินไป ตัวเซลนี้จะเกิดการระเบิดขึ้นได้ ดังนี้จึงต้องระมัดระวังในการประจุไฟเข้าเซล ปัญหาที่เกิดอีกขึ้นก็คือ เนื่องจากปฏิกิริยาการรวมตัวกันของก๊าซออกซิเจนและอิเลคโทรดขั้วลบเป็นปฏิกิริยาคายความร้อน ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของเซลสูงขึ้น อาจทำความเสียหายแก่เซลได้
 |
รูปที่ 6 ภาพแสดงโครงสร้างของเซลแบบนิแคดรูปทรงกระบอก รูระบายที่ปิดอยู่จะเปิดเมื่อความดันภายในเซลสูง เพื่อป้องกันเซลระเบิดจากการประจุมากเกินไป |
ปัญหาที่เกิดขึ้น
ปัญหาเกี่ยวกับการระเบิดของเซลแบบนี้สามารถบรรเทาลงได้ โดยการใช้เซลนิแคดแบบรูปทรงกระบอก ซึ่งมีโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 6 จะเห็นได้ว่าเราใช้แผ่นเพลทที่เผามาทำเป็นขั้วบวกและขั้วลบอีก แต่เรานำมาม้วนให้เป็นรูปทรงกระบอก และมีรูระบายติดตั้งอยู่ที่ฝาบนของเซลซึ่งจะปล่อยก๊าซออกซิเจนออกสู่ภายนอกเมื่อความดันขึ้นสูงกว่า 90 ปอนด์/ตารางนิ้ว ดังนั้นถ้าเซลถูกประจุมากเกินไป ด้วยกระแสที่สูงเกินก๊าซออกซิเจนที่เกิดขึ้นจุถูกระบายออกจากเซล ทำให้เซลไม่เกิดการระเบิดขึ้นอย่างไรก็ตาม ก๊าซออกซิเจนที่ระบายออกไปก็ไม่สามารถหากลับมาทดแทนได้
เซลที่มีรูปร่างเป็นทรงกระบอกนี้สามารถที่จะเก็บพลังงานได้มากกว่าเซลแบบกระดุม เมื่อขนาดเท่าๆ กัน และสามารถจ่ายกระแสได้มากกว่าด้วย (เนื่องจากมีความต้านทานภายในต่ำ) กุญแจแห่งความสำเร็จของเซลแบบทรงกระบอกนี้ คือการใช้ตาข่ายนิกเกิลบริสุทธิ์ที่มีรูพรุนเล็กๆ มาทำเป็นตะแกรงเพื่อให้นิกเกิลไฮดรอกไซด์และแคดเมี่ยมไฮดรอกไซด์ สามารถก่อตัวเป็นขั้วบวกและขั้วลบบนตะแกรงนั้นได้อย่างรวดเร็ว แผ่นนิกเกิลจะถูกเชื่อมกับอิเลคโทรด และต่อกับตัวถังด้านบนของตัวแบตเตอรี่
ประโยชน์อีกข้อหนึ่งของเซลที่มีโครงสร้างแบบทรงกระบอกก็คือ สามารถทำเซลให้มีขนาดเท่ากับขนาดของเซลแบบปฐมภูมิที่มีใช้กันอยู่ได้ คือขนาด AAA , AA , C , D และขนาด PP-3 และอื่นๆ อีก ซึ่งหมายความว่าเราสามารถนำเซลแบบนิแคดนี้มาใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟในเครื่องใช้ต่างๆ ภายในบ้าน เช่น วิทยุเทปคาสเซทท์ ไฟฉาย เป็นต้น แรงดันของเซลแบบนิแคดนี้โดยปกติมีค่าประมาณ 1.25 โวลท์ ซึ่งเมื่อเทียบกับเซลแบบปฐมภูมิชนิดเดียวกันแล้วซึ่งมีแรงดันประมาณ 1.5 โวลท์แล้วอาจจะทำให้คิดว่าเครื่องใช้ต่างๆ จะไม่สามารถทำงานได้ ถ้าเปลี่ยนจากเซลแห้งธรรมดาไปเป็นเซลแบบนิแคดขนาดเดียวกัน แต่ก็ไม่เป็นความจริง เนื่องจาก
1.แรงดันของเซลแห้งที่กล่าวมานั้นเป็นแรงดันตอนที่ไม่มีโหลดอยู่ ซึ่งแรงดันนี้จะตกลงเล็กน้อยเมื่อโหลดดึงกระแสไปใช้ ทั้งนี้เนื่องมากจากค่าความต้านทานภายในของเซล ซึ่งเมื่อต่อเซลอนุกรมกันหลายๆ เซลแล้ว แรงดันตอนใช้งานอาจจะเหลือเพียงเซลละ 1 โวลท์ (หรือน้อยกว่า) แต่ค่าความต้านทานภายในที่ต่ำมากๆ ของเซลแบบนิแคดนี้ จะทำให้แรงดันตอนใช้งานจะยังคงเท่ากับ 1.25 โวลท์ ในการใช้งานหลายอย่างดูเหมือนว่า แรงดันปกติที่ต่ำกว่าของเซลนิแคดนี้นะให้คุณสมบัติที่ดีกว่าเซลแห้งธรรมดา
 |
รูปที่ 7 เป็นกราฟแสดงแรงดันของเซลกับเวลา เปรียบเทียบกันระหว่างเซลแห้ง (dry cell) และเซลแบบนิแคด ด้วยการจ่ายกระแสเท่ากัน
|
2.แรงดันของเซลแห้งนี้จะแปรเปลี่ยนไปตามเวลา ถ้าเราเขียนกราฟระหว่างแรงดันของเซลแห้งกับเวลา และเปรียบเทียบกับกราฟของเซลแบบนิแคดในรูปที่ 7 จะเห็นว่า แรงดันของเซลแห้งจะสูงกว่าแรงดันของเซลแบบนิแคดในตอนแรก แต่เมื่อเซลคายประจุออกไปแล้วจะเห็นว่าในที่สุดแรงดันของเซลแห้งนี้จะเริ่มต่ำกว่าแรงดันของเซลแบบนิแคด ในขณะที่แรงดันของเซลแบบนิแคดจะค่อนข้างคงที่ และจุดหมดประจุ คือ เวลาที่คิดว่าเซลคายประจุหมดอย่างสมบูรณ์แล้ว จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อใช้เซลแบบนิแคดนี้ในเครื่องใช้ไฟฟ้าเมื่อถึงจุดที่เซลหมดประจุ เครื่องใช้นั้นก็จะหยุดทำงานทันที
เมื่อคิดถึงเรื่องราคา
ชิ้นส่วนในการทำเซลแบบนิแคดนี้ ได้เลือกสรรและควบคุมอย่างเคร่งครัดในการเลือกวัตถุมาใช้ ตลอจนใช้เทคนิคในการผลิตที่ประณีต จึงทำให้เซลแบบนิแคดนี้มีราคาแพง โดยจะแพงกว่าเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีสขนาดเดียวกันประมาณ 2.5 เท่า ในขณะที่ความจุพลังงานมีเพียง 1 ใน 4 ของเซลแบบอัลคาไลน์แมงกานีส ถ้าเรามองเพียงผิวเผินแล้วอาจจะเห็นว่าไม่คุ้มค่า แต่อย่าลืมว่าเซลแบบนิแคดนี้สามารถใช้ได้นานหลายครั้งกว่า ไม่เหมือนกับเซลแบบปฐมภูมิ เชลแบบอัลคาไลน์ แมงกานีส เพื่อจะดูว่าเซลแบบนิแคดนี้มีราคาคุ้มค่ากว่าเซลแบบปฐมภูมิ เราต้องมาศึกษาถึงวิธีการประจุไฟก่อน
ก่อนที่จะประจุไฟให้กับเซลแบบนิแคด โดยไม่ให้เกิดความเสียหายและสามารถประจุได้เต็มที่นั้น เราจะต้องรู้ถึงค่าความจุของเซลก่อน ความจุของเซลแบบนิแคดนี้ คือปริมาณของพลังงานไฟฟ้าทั้งหมด ซึ่งเซลสามารถข่ายออกมาได้เมื่อมันได้รับการประจุไฟจนเต็มที่ จะแสดงออกมาในรูปของตัวเลขที่เป็นแอมป์ – ชั่วโมง หรือมิลลิแอม – ชั่วโมง เซลชนาดใดก็ตาม ค่าตัวเลขจริงๆ นี้ จะแปรเปลี่ยนไปโดยขึ้นอยู่กับกระแสที่จ่ายออกไป ดังนั้นมักจะกำหนดเงื่อนไขในการจ่ายกระแส เมื่อระบุถึงค่าความจุ ผู้ผลิตจะแจ้งถึงค่าความจุและเงื่อนไขในการจ่ายกระแสบนตัวเซล รายละเอียดเกี่ยวกับความจุโดยปกติของเซลขนาดต่างๆ ระบุไว้ในตารางที่ 1
ในเซลแบบทรงกระบอกนี้ค่าความจุโดยปกติ รู้จักกันในนามของ “ความจุ 5 ชั่วโมง” เนื่องจากเป็นจำนวนของพลังงานไฟฟ้าที่เซลจะจ่ายออกมาได้เมื่อใช้เวลาในการจ่าย 5 ชั่วโมง อัตราการจ่ายกระแสใน 1 ชั่วโมง จะคายประจุออกจากเซลในเวลา 1 ชั่วโมง จะคายประจุออกจากเซลในเวลา 1 ชั่วโมง โดยให้สัญลักษณ์ว่า “C” เช่นเดียวกับอัตราการจ่ายใน 5 ชั่วโมง (C/5) จะหมายถึงกระแสที่สามารถจ่ายออกจากเซลในเวลา 5 ชั่วโมงเป็นต้น เซลจะถูกคิดว่าคายประจุหมดสิ้น เมื่อแรงดันของมันตกลงเหลือ 1 โวลท์ รูปที่ 8 แสดงถึงค่าความจุของเซลแบบนิแคดซึ่งจะแปรเปลี่ยนไปกับอัตราการจ่ายกระแสค่าต่างกัน 3 ค่า จากรูปนี้จะพบว่าค่าความจุของเซลจะเพิ่มขึ้นเล็กน้อยถ้าอัตราการจ่ายกระแสมีค่าต่ำลดต่ำลง และค่าความจุที่ลดลงจะเป็นผลมาจากอัตราการจ่ายกระแสสูงขึ้น
ความจุของเซลแบบกระดุม เช่นเดียวกันกับแบบทรงกระบอก จะแสดงอยู่ในรูปของ “ความจุ 10 ชั่วโมง” และด้วยอัตราการจ่ายกระแสเป็นเวลา 10 ชั่วโมง (C/10) จะทำให้แรงดันของมันลดลงเหลือ 1.1 โวลท์ ที่จุดนี้มันจะถูกพิจารณาว่าหมดประจุอย่างสมบูรณ์
 |
รูปที่ 8 แสดงถึงค่าความจุของเซลนิแคดจะแปรเปลี่ยนไปตามอัตราการจ่ายกระแส |
เซลแบบนิแคดนี้จะไม่เหมือนกับเซลแบบตะกั่ว – กรด (ถึงแม้จะเป็นเซลทุติยภูมิเหมือนกัน) ตรงที่เซลแบบนิแคดนี้จะต้องไม่ประจุไฟให้มันด้วยแหล่งจ่ายไฟที่มีแรงดันคงที่ เพราะว่าค่าความต้านทานภายในของมันมีค่าต่ำมาก จะทำให้กระแสที่ใช้ในการประจุมีค่ามากเกินไป ซึ่งจะทำความเสียหายให้แก่เซลได้ เราจะใช้แหล่งจ่ายไฟแบบกระแสคงที่แทน ซึ่งจะจ่ายกระแสออกมาโดยกำหนดท่าได้และอยู่ในอัตราที่ปลอดภัย
 |
รูปที่ 9 วิธีการง่ายๆ ในการสร้างวงจรประจุกระแสคงที่ เพื่อใช้ในการประจุเซลนิแคด
|
วิธีง่ายที่สุดในการจ่ายกระแสคงที่แสดงในวงจรรูปที่ 9 ซึ่งแหล่งจ่ายไฟที่มีแรงดันที่จะจ่ายกระแสออกมาประจุเซลแบบนิแคด โดยผ่านตัวต้านทานจำกัดกระแส ค่าของตัวต้านทานจะถูกเลือกให้ค่ากระแสที่ไปประจุเซลจะไม่เกินค่าปลอกภัยสำหรับเซลขนาดนั้น โดยวงจรนี้เราจะต้องใช้อย่างระมัดระวัง วิธีการประจุโดยใช้วงจรนี้สามารถประจุเซลได้ 3 วิธีใหญ่ๆ คือ
การประจุทีละน้อย (Trickle Recharge)
ถ้ากระแสในวงจรถูกรักษาไว้ที่อัตราเท่ากับ C/10 (10% ของความจุ) แล้ว เซลที่หมดประจุอย่างสมบูรณ์สามารถจะประจุได้ภายใน 10 ชั่วโมง แต่ความเป็นจริงจะใช้เวลามากกว่า 10 ชั่วโมง การประจุทีละน้อยด้วยอัตราขนาดนี้สามารถประจุทิ้งไว้ค้างคืนได้ ประโยชน์อีกข้อหนึ่งของการประจุเซลด้วยอัตราขนาดนี้คือ ถึงแม้ว่าเซลจะถูกประจุเต็มแล้วก็ตาม ก็ไม่จำเป็นต้องนำเซลออก เนื่องจากถ้าเราประจุต่อไปก็จะไม่ทำความเสียหายให้แก่เซล เนื่องจากก๊าซออกซิเจนที่เกิดขึ้นทั้งหมดที่ขั้วบวกจะรวมตัวกับขั้วลบ การประจุเซลโดยไม่มีข้อจำกัด ซึ่งจะไม่ทำให้ความเสียหายแก่เซล ยกตัวอย่างเช่น เซลมีขนาดความจุ 500 มิลลิแอมป์ – ชั่วโมง ถ้าประจุด้วยอัตรา C/10 ก็เท่ากับ 10% ของความจุ คือ 50 มิลลิ-แอมป์
 |
รูปที่ 10 แสดงถึงการที่แรงดันของเซลนิแคดแปรเปลี่ยนไปตามเวลาเมื่อทำการประจุ
(หลังจากหมดประจุอย่างสมบูรณ์แล้ว) ด้วยอัตรากระแส C/4 |
การประจุอย่างเร็ว (Fast Recharge)
เซลแบบนิแคดนี้สามารถจุประจุด้วยอัตราที่สูงขึ้นกว่าได้ เช่นด้วยอัตรา C/3 (33% ของความจุ) ถึง C/5 (20% ของความจุ) โดยจะต้องเตรียมการตัดการประจุ เมื่อเซลได้รับการประจุจนเต็มที่แล้ว ซึ่งสามารถทำได้อย่างอัตโนมัติ โดยใช้วงจรตรวจจับแรงดัน ซึ่งจะตัดกระแสที่ใช้ในการประจุออก เมื่อแรงดันของเซลเพิ่มขึ้นเกินกว่าค่าปัจจุบัน รูปที่ 10 แสดงถึงการแปรเปลี่ยนของแรงดันของเซลกับอัตราการประจุเท่ากับ C/4 (25% ของความจุ) จะเห็นได้ชัดว่าวิธีการนี้สามารถใช้ได้เฉพาะ ถ้าสามารถวัดค่าแรงดันได้อย่างเที่ยงตรงและว่องไว สามารถตัดกระแสที่ใช้ประจุออกก่อนที่จะเกิดความเสียหายขึ้น ปัญหาในการใช้การประจุแบบนี้ก็คือ ถ้ากระแสที่ใช้ในการประจุค่าสูงๆ นี้ไม่ได้ถูกตัดออกอย่างทันที เมื่อเซลได้รับการประจุจนเต็มที่แล้ว ก๊าซออกซิเจนที่เกิดขึ้นมากเกินจากขั้วลบในปริมาณที่เพียงพอ ความดันจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และเซลจะระบายก๊าซออกซิเจนออกไปโดยที่ รูระบายที่ปิดไว้จะเปิดออกและปล่อยก๊าซออกซิเจนกับอิเลคทรอไลท์บางส่วนออกมา เนื่องจากเมื่ออิเลคทรอไลท์สูญเสียออกมาจากเซลแล้ว ก็ไม่สามารถเติมกลับเข้าไปใหม่ได้ ดังนั้น ความจุของเซลจะลดลงอย่างถาวรก็คือ เซลนั้นจะมีความจุน้อยลงตลอดไป
การประจุอย่างเร่งด่วน (Super – Fast Recharging)
มีบางกรณีที่ผู้ใช้ต้องการที่จะประจุเซลภายในเวลาเพียง 2 – 3 นาที ยกตัวอย่างเช่น เครื่องบินเล็กที่ใช้แบตเตอรี่เป็นตัวจ่ายกำลังจะต้องการการประจุเซลที่หมดประจุ เพื่อที่จะนำเครื่องบินนี้ บินขึ้นสู่อากาศอีกครั้ง โดยเร็วที่สุดเท่าที่จะทำได้
มันเป็นไปได้ที่จะประจุเซลอย่างเร่งด่วน ด้วยอัตราการประจุถึง 4C (4 เท่าของความจุ) หรือมากกว่านี้ โดยวิธีการต่อไปนี้ คือวัดแรงดันของเซลและตัดกระแสที่ใช้ประจุออก เมื่อแรงดันของเซลขึ้นสูงถึงค่าที่ตั้งไว้ อย่างไรก็ตามมีวิธีการที่ง่ายกว่า แล้วก็เที่ยงตรงด้วย โดยจากหลักความจริงที่ว่าเซลได้หมดประจุอย่างสมบูรณ์ก่อนที่จะพยายามทำการประจุมันใหม่ ให้ประจุไฟเข้าโดยกำหนดค่ากระแสประจุคงที่ไว้ใช้เวลาในการประจุตามที่ต้องการ เช่นหลังจากเซลหมดประจุแล้ว กระแสที่ใช้ในการประจุขนาด 3C (3 เท่าของความจุ) จะถูกป้อนเป็นเวลา 20 นาที หรือจะใช้กระแสในการประจุเป็น 5C (5 เท่าของความจุ) ป้อนเข้าไปเป็นเวลา 12 นาที เป็นต้น แม้ว่าวิธีการนี้จะเป็นวิธีการที่ดี เช่น สำหรับนักเล่นเครื่องบินจำลองที่มีเพียงแหล่งจ่ายไฟเป็นเพียงแบตเตอรี่รถยนต์ก็ตาม ก็เป็นสิ่งที่ควรระวังไว้ เนื่องจากการประจุมากเกินไปเพียง 2 – 3 วินาที อาจจะทำให้เกิดการรั่วของเซลได้ กล่าวย่อๆ ก็คือ เมื่อจะใช้วิธีการนี้เซลจะต้องหมดประจุอย่างเต็มที่ และใช้กระแสในการประจุค่าที่แน่นอนเป็นระยะเวลาที่ถูกต้อง
ตารางที่ 1
เซลแบบนิแคดขนาดต่างๆพร้อมทั้งค่าความจุของมัน
1 เซลแบบกระดุม
เนื่องจากเซลแบบกระดุมนี้รั่วไม่ได้ จึงสำคัญมากที่จะต้องไม่ประจุมากเกินไปด้วยวิธีการใดก็ตาม มิฉะนั้นเซลจะเกิดการระเบิดขึ้นได้ วิธีที่ดีก็คือ จำกัดค่าของกระแสในการประจุให้มีค่าต่ำไว้ เช่น ด้วยอัตรา C/30 (3.33% ของความจุ) และใช้เวลาในการประจุประมาณ 1 วันครึ่ง แม้ว่าที่อัตราการประจุขนาดนี้เราสามารถประจุได้เป็นเวลานานเท่าใดก็ตาม
อย่างไรก็ตามเซลแบบนิแคดนี้จะสามารถประจุไฟได้เป็นเวลานาน แม้ว่าจะใช้งานโดยการคายประจุอย่างรวดเร็ว และประจุด้วยกระแสจำนวนมากๆ มันก็สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยสามารถประจุได้เป็นร้อยๆ ครั้ง แต่ถ้าใช้วิธีประจุทีละน้อย เราก็สามารถที่จะประจุได้เป็นพันๆ ครั้งทีเดียว
เรามาลองเปรียบเทียบระหว่างเซลแบบนิแคดกับเซลแบบปฐมภูมิ เช่น แบบอัลคาไลน์ แมงกานีส ดู แต่เนื่องจากไม่สามารถเปรียบเทียบได้โดยตรง เนื่องจากขึ้นอยู่กับตัวแปรหลายอย่าง เช่น จำนวนเซลที่ใช้งาน ราคาของเครื่องประจุ (charge) ขนาดและราคาของเซลและการนำไปใช้งาน อย่างไรก็ตาม เราสามารถที่จะเปรียบเทียบโดยไม่มีหลักเกณฑ์ที่แน่นอนได้เช่นกัน
ยกตัวอย่างเช่น เรามีเครื่องใช้ไฟฟ้าชิ้นหนึ่ง เป็นวิทยุเทปซึ่งใช้เซลขนาด AA โดยใช้งานสัปดาห์ละ 10 ชั่วโมงที่กระแส 200 มิลลิแอมป์ และแรงดันเหล่งจ่ายไฟประมาณ 2 ถึง 3 โวลท์ เราสามารถใช้เซล 2 เซลต่ออนุกรมกัน และจ่ายกระแสออกมา 200 มิลลิแอมป์
ถ้าเราประมาณราคาของเครื่องประจุเซลแบบนิแคดเท่ากับ 300 บาท (อาจถูกกว่า) เซลแบบนิแคดขนาด AA ราคา30 บาท และเซลแบบอัลคาไลน์ แมงกานีส ขนาดAA ราคา 12 บาท เราสามารถที่จะเปรียบเทียบราคาค่าใช้จ่ายได้ดังนี้
เซลแบบอัลคาไลน์ แมงกานีส 2 เซล (ความจุ 1,800 มิลลิแอมป์ - ชั่วโมง) เราจะสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าขนาด 200 มิลลิแอมป์ ได้เป็นเวลา 9 ชั่วโมง ส่วนเซลแบบนิแคด 2 เซล (ความจุ 500 มิลลิแอมป์ - ชั่วโมง) จะสามารถจ่ายกระแสขนาดนั้นได้เป็นเวลา 2.5 ชั่วโมง ดังนั้นจึงใช้เซลแบบอัลคาไลน์ แมงกานีสจำนวน 1.11 ชุด ทุกสัปดาห์เป็นเงิน 27 บาทต่อสัปดาห์ เช่นเดียวกันเซลแบบนิแคดจะต้องประจุไฟใหม่ 4 ครั้ง (โดยใช้ค่าใช้จ่าย 7 สตางค์ต่อการประจุ 1 ครั้ง ซึ่งประมาณไว้สูง) เป็นเงิน 28 สตางค์ต่อสัปดาห์
เหตุผลนี้ขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่ว่า เครื่องวิทยุเทปนั้นถูกใช้บ่อยแค่ไหน จุดคุ้มทุนก็จะเกิดเร็วเท่านั้น ถ้าจำนวนเซลที่ใช้มากยิ่งขึ้น และใช้เครื่องประจุเครื่องเดียว จุดคุ้มทุนก็จะเกิดเร็วยิ่งขึ้น ซึ่งตามความเป็นจริงแล้ว ถ้าท่านใช้จำนวนเซลบ่อยครั้งเท่าไร ท่านก็ควรจะใช้เซลแบบนิแคดมากขึ้นเท่านั้น ถึงแม้ว่าการลงทุนในระยะแรกจะมีค่าสูง แต่จุดคุ้มทุนก็จะเกิดขึ้นเร็วเท่านั้น ซึ่งนี้ก็เป็นเหตุผลที่ว่าทำไมผู้ผลิตเซลถึงไม่ค่อยส่งเสริมในผลิตภัณฑ์เซลแบบนิแคดของตนเท่าไร เนื่องจากจะไปทำลายธุรกิจอันใหญ่โต และได้กำไรงามของเซลปฐมภูมิที่ตนผลิตอยู่
|
