แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4
เรามารู้จักกับแบตเตอรี่ที่ใช้กับดวงโคมไฟ LED Solar Street all-in-one นวัตกรรมใหม่ของแบตเตอรี่ที่ใช้ร่วมกับดวงโคมไฟฟ้าส่องถนน ซึ่งปัจจุบันมีการใช้แบตเตอรี่กันหลายแบบ และผู้ใช้งานจำเป็นต้องรู้เรื่องนี้บ้าง เพื่อที่จะได้เลือกผลิตภัณฑ์ที่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานคุ้มค่ากับการลงทุน
ภาพดวงโคมไฟ LED Solar Street all-in-one
แบตเตอรี่ LiFePO4 เป็นแบตเตอรี่ชนิด Lithium-Ion ที่ค้นคิดขึ้นมาใหม่ โดยเป็นการรวมข้อดีของแบตฯ Li-Po กับ แบตฯ A123 เข้าด้วยกัน
ภาพของเซลล์แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4
LiFePO4 ย่อมาจาก Lithium Ion Phosphate นั้นจะยึดโครงสร้างทางเคมีเช่นเดียวกับแบต Li-Po (Lithium Polymer) ทั่วไป แต่ว่ามีการเปลี่ยนวัสดุที่ใช้จาก Cobalt Dioxide ที่เป็นก๊าซมาเป็นโลหะที่ทนทานมากขึ้น การที่ LiFePO4 เปลี่ยนวัสดุจาก Lithium Cobalt Dioxide (LiCoO2) มาเป็นโลหะทำให้ปลอดจากปฎิกริยาเคมีที่ทำให้เกิดความร้อนในแบตฯ Li-Po ทั่วไป มีผลทำให้ LiFePO4 ไม่สามารถติดไฟหรือเกิดการเผาไม้เหมือนกับ Li-Po แม้จะถูกใช้งานอย่างสุดขีด หรือเกินขอบเขตที่แบต Li-Po ทั่วไปจะสามารถรับได้ ในขณะเดียวกันตัว LiFePO4 ยังมีการขับพลังงานที่สูงกว่า (higher discharge rate) และไม่เป็นพิษ (nontoxic) แถมยังมีอายุการใช้งานที่มากกว่าแบต Li-Po ทั่วไปหลายเท่า
LiFePO4 ถูกคิดค้นโดย Mr. John Goodenough ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัย เท๊กซัลในปี 1996 เพราะคุณสมบัติพิเศษของวัสดุใหม่นี้ ทำให้ LifePO4 มีต้นทุนที่ถูกลง, ไม่เกิดพิษภัย, มีความทนทานมากขึ้น, มีการควบคุมอุณหภูมิที่ดีขึ้น, มีความปลอดภัยมากขึ้น, นำไฟได้ดีขึ้นและสามารถบรรจุ mAh ได้มาขึ้นอีกด้วย ถ้าเทียบกับ Li-Po ทั่วไป
จุดเด่นของ LiFePO4
ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ได้เป็นอย่างดี ไม่ทำให้เกิดความร้อนมาก หรือถ้าเกิดความร้อนมากก็ไม่มีผลทำให้ตัวแบตมีการเปลี่ยนรูปร่างหรือเปลี่ยน สถานะของตัวเอง มีอายุการใช้งานต่อรอบมากขึ้น (Life Cycle) และมีอายุยาวขึ้น (Calendar Life)
กระแสไฟจ่ายได้สูงมากขึ้นและการจ่ายกระแสสูงชั่วขณะได้มากขึ้น (Peak-power rating) และ การใช้ Iron & Phosphate ทำให้ไม่มีผลเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมเพราะ เป็นสารที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมอยู่แล้ว ไม่เหมือน Cobalt ที่จะทำลายสิ่งแวดล้อมในระยะยาว การพัฒนาอย่างต่อเนื่องโรงงานผลิตทั่วโลกพยายามทำให้ LiFePO4 มีค่าบรรจุที่สูงขึ้นและขนาดที่เล็กลงและเบาขึ้น
ข้อเปรียบเทียบ Li-Po & LiFePO4
LiFePO4 เกิดจากาการใช้สารที่มีโครงสร้างทางโมเลกุลทนทานกว่าของ Li-Po ทั่วไปทำให้เวลาที่เกิดการใช้งานที่ผิดแปลกจากปกติ เช่นการลัดวงจร หรือการใช้ในสภาวะที่เกิดความร้อนสูง ตัวโมเลกุลที่แข็งแรงของ LiFePO4 ทำให้อนูของออกซิเจนไม่แยกตัวออก ทำให้ไม่บวมเหมือน Li-Po ที่ใช้โครงสร้างสาร CoO2.
ในวงการอุตสาหกรรมทั่วไปตัว LifePO4 ได้รับความนิยมอย่างสูง เพราะข้อได้เปรียบและจุดเด่นที่เหนือกว่า Li-Po โดยเฉพาะเรื่องความปลอดภัยจากการรั่วของก๊าซและเพลิงไหม้ ทำให้ LiFePO4 ได้ถูกยอมรับในวงการต่างๆมากยิ่งขึ้น สำหรับในวงการ Hobby RC เองก็เริ่มได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆเพราะตัว LiFePO4 สามารถ Charge ได้ไว้กว่าและมากครั้งกว่า และไม่มีโอกาสติดไฟได้อย่าง Li-Po ทั่วไป ทั้งยังแข็งแรงกว่าด้วย
นวัตกรรมแบตเตอร์รี่ตระกูลลิเทียมไอออน แบตเตอร์รี่ LiFePo4 ชาร์จได้เร็วกว่าประสิทธิภาพเหนือกว่า !!
เป็นที่ประจักษ์แล้วว่าแบตเตอร์รี่ไอออน Li-ion (polymer) และ แบตเตอร์รี่ ลิเทียมโคบอลล์ออกไซด์ (LiCoO2) มีการใช้งานอย่างมากในอุตสาหกรรมอิเลกทรอนิกส์ แต่แบตเตอร์รี่ลิเทียมโคบอลล์ออกไซด์ (LiCoO2) ราคาแพงมาก และไม่ปลอดภัยเมื่อมันมีความจุสูงขึ้น แบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4) เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในปัจจุบันนี้ ตลาดแบตเตอร์รี่ตระกูลลิเทียมไอออนมีความนิยมเนื่องจากมีความจุสูงและสามารถ นำไปใช้งานได้หลากหลาย เช่น คอมพิวเตอร์แลบทอป เครื่องมือกล รถวีลแชร์ไฟฟ้า รถจักรยานไฟฟ้า รถไฟฟ้า แม้นแต่รถบัสไฟฟ้า แบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4) มีความปลอดภัยเทียบเท่าแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด แต่ความแรงเทียบเท่าแบตแบบตระกูลลิเทียมไอออน ข้อดีของลิเทียมไอออน Li-ion (polymer) ที่เป็นชนิดลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4)คือ
- ชาร์จไว
ในระหว่างกระบวนการชาร์จแบตเตอร์รี่ Li-ion แบบดั้งเดิมประกอบด้วย ลิเทียมโคบอลต์ออกไซต์(LiCoO2) ต้องการชาร์จสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก คือการใช้กระแสคงที่ (Constant Current:CC) เพื่อให้ถึง 60% ของจุดชาร์จ (Stage of Charge:SOC) ขั้นตอนที่สอง เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไปถึง 4.2V เป็นขีดจำกัดบนแรงดันของการชาร์จ ก็จะเริ่มชาร์จที่แรงดันคงที่จนกว่ากระแสจะลดลงเรื่อยๆ ในขั้นตอนที่ (60%SOC) ใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง และในขั้นตอนที่ 2 (40%SOC) ใช้เวลาอีกประมาณ 2 ชั่วโมง แต่แบตเตอร์รี่ LiFePo4 สามารถใช้แค่ 1 ขั้นตอน เมื่อ CC ไปถึง 95% ของ SOC หรืออาจชาร์จทั้ง CC+CV เพื่อให้ถึง 100%SOC เวลาทั้งหมดประมาณสองชั่วโมง
กราฟแสดงความสัมพัธ์ระหว่างแรงดันและกระแสในการชาร์จ
- มีการเผื่อต่อการชาร์จมากไป (over charge) สูง และสมรรถนะที่ปลอดภัยกว่า
แบตเตอร์รี่ LiCoO2 มีการเผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จแคบมาก ประมาณ 0.1V ที่แรงดันชาร์จ 4.2V และต้องพิจารณาขีดจำกัดควบคุมบนของการชาร์จแรงดันด้วย ถ้าชาร์จเกิด 4.3V อาจทำให้แบตเตอร์รี่ประสิทธิภาพตกได้และอาจเป็นเหตุให้ไฟไหม้และระเบิดได้ แบตเตอร์รี่ LiFePO4 มีการผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จกว้างมากกว่าเป็น 0.7V ที่แรงดันชาร์จเป็น 3.4V
ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีวัดจาก DSC หลังจากโอเวอร์ชาร์จเป็น 90J/g สำหรับ LiFePO4 และ 1600J/g for LiCoO2 ยิ่งมีการคายความร้อนมากเท่าไร จะเกิดพลังงานจะสะสมในแบตเตอร์รี่ในทางสิ้นเปลืองและอาจทำให้ไฟไหม้และ ระเบิดได้ แต่แบตเตอร์รี่ LiFePo4 สามารถโอเวอร์ชาร์จได้ถึง 30V โดยไม่ต้องมีวงจรป้องกัน เหมาะสมกับการใช้งานที่กระแสสูงๆ ความจุสูงๆ ในรูปแสดงถึงความปลอดภัยและความทนต่อการโอเวอร์ชาร์จของแบตเตอร์รี่ LiFePO4 กราฟมีลักษณะคล้ายการตอบสนองของแบตเตอร์รี่ตะกั่วกรด
กราฟเปรียบเทียบ แบตเตอร์รี่ LiFePo4 และแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด
- สมดุลด้วยตัวเอง
เซลล์ของ LiFePO4 จะถูกต่ออนุกรมและจัดให้สมดุลระหว่างกระบวนการชาร์จ เนื่องจากมีความเผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จสูง นี่คือข้อแตกต่างจากแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด คุณลักษณะการสมดุลย์ตัวเองสามารถยอมให้ความแตกต่างระหว่างเซลสำหรับทั้งแรง ดันและความจุของแบตเตอร์รี่ไม่เกิน 10% ดังรูปด้านล่าง
กราฟแสดงการสมดุลย์แรงดันแต่ละเซลให้แตกต่างไม่เกิน 10%
- ระบบจัดการแบตเตอร์รี่ (Battery Management System) และ แบตเตอร์รี่ชาร์จเจอร์ง่ายกว่า
การเผื่อโอเวอร์ชาร์จและชุดสมดุลของแบตเตอร์รี่ LiFePo4 ส่วนมากจะมีชุดป้องกันแบตเตอร์รี่และวงจรที่มีราคาไม่แพง ใช้การชาร์จเพียงหนึ่งขั้นตอน อาจใช้แหล่งจ่ายไฟแบบทั่วไปเพื่อชาร์จแบตเตอร์รี่ LiFePO4 แทนที่จะเป็นชาร์จเจอร์แบบ Li-ion
- อายุการใช้งานที่ยืนยาว
เมื่อเปรียบเทียบอายุการใช้งานของแบตเตอร์รี่ LiCoO2 มีอายุการชาร์จเพียง 400 ครั้ง แต่แบตเตอร์รี่ LiFePO4 อายุการชาร์จถึง 2000 ครั้ง
- สมรรถนะอุณหภูมิสูง
ข้อเสียของการแบตเตอร์รี่ LiCoO2 คือประสิทธิภาพจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจนถึง 60C แบตเตอร์รี่ LiFePO4 ทำงานได้ดีกว่า ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากการนำความร้อนของลิเทียมไอออนนิกที่สูงกว่า
ตารางเปรียบเทียบแบตเตอร์รี่ชนิดต่างๆ
แหล่งที่มา https://www.powerstream.com/LLLF.htm