แบตเตอรี่

แบตเตอรี่ (อังกฤษ: battery) เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย เซลล์ไฟฟ้าเคมี หนึ่งเซลล์หรือมากกว่า ที่มีการเชื่อมต่อภายนอกเพื่อให้กำลังงานกับอุปกรณ์ไฟฟ้า แบตเตอรี่มี ขั้วบวก (อังกฤษ: anode) และ ขั้วลบ (อังกฤษ: cathode) ขั้วที่มีเครื่องหมายบวกจะมีพลังงานศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าขั้วที่มีเครื่องหมายลบ ขั้วที่มีเครื่องหมายลบคือแหล่งที่มาของอิเล็กตรอนที่เมื่อเชื่อมต่อกับวงจรภายนอกแล้วอิเล็กตรอนเหล่านี้จะไหลและส่งมอบพลังงานให้กับอุปกรณ์ภายนอก เมื่อแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับวงจรภายนอก สาร อิเล็กโทรไลต์ มีความสามารถที่จะเคลื่อนที่โดยทำตัวเป็นไอออน ยอมให้ปฏิกิริยาทางเคมีทำงานแล้วเสร็จในขั้วไฟฟ้าที่อยู่ห่างกัน เป็นการส่งมอบพลังงานให้กับวงจรภายนอก การเคลื่อนไหวของไอออนเหล่านั้นที่อยู่ในแบตเตอรี่ที่ทำให้เกิดกระแสไหลออกจากแบตเตอรี่เพื่อปฏิบัติงาน ในอดีตคำว่า "แบตเตอรี่" หมายถึงเฉพาะอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ แต่การใช้งานได้มีการพัฒนาให้รวมถึงอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเซลล์เพียงเซลล์เดียว

แบตเตอรี่

รูปร่างของแบตเตอรี่แบบต่าง ๆ (บนซ้ายจนถึงล่างขวา) แบตเตอรี่แบบ AA 2 หน่วย, แบตเตอรี่แบบ D 1 หน่วย, แบตเตอรี่แบบหูหิ้ว 1 หน่วย, แบตเตอรี่แบบ 9 โวลท์ (PP3) 2 หน่วย, แบตเตอรี่แบบ AAA 2 หน่วย, แบตเตอรี่แบบ C 1 หน่วย, แบตเตอรี่ที่ใช้กับกล้องถ่ายวีดิโอ 1 หน่วย, แบตเตอรี่แบบใช้กับโทรศัพท์ในบ้าน 1 หน่วย
ชนิด	แหล่งจ่ายไฟ
หลักการทำงาน	ปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี, แรงเคลื่อนไฟฟ้า
ผลิตครั้งแรก	ทศวรรษที่ 1800
สัญลักษณ์
สัญลักษณ์แบบอิเล็กทรอนิกส์สำหรับแบตเตอรี่ในแผนภาพวงจร

แบตเตอรี่ปฐมภูมิจะถูกใช้เพียงครั้งเดียวหรือ "ใช้แล้วทิ้ง"; วัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรในช่วงปล่อยประจุออก (อังกฤษ: discharge) ตัวอย่างที่พบบ่อยก็คือ แบตเตอรี่อัลคาไลน์ ที่ใช้สำหรับ ไฟฉาย และอีกหลายอุปกรณ์พกพา แบตเตอรี่ทุติยภูมิ (แบตเตอรี่ประจุใหม่ได้) สามารถดิสชาร์จและชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง ในการนี้องค์ประกอบเดิมของขั้วไฟฟ้าสามารถเรียกคืนสภาพเดิมได้โดยกระแสย้อนกลับ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ที่ใช้ในยานพาหนะและแบตเตอรี่ ลิเธียมไอออน ที่ใช้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเคลื่อนย้ายได้

แบตเตอรี่มาในหลายรูปทรงและหลายขนาด จากเซลล์ขนาดเล็กที่ให้พลังงานกับ เครื่องช่วยฟัง และนาฬิกาข้อมือ จนถึงแบตเตอรี่แบงค์ที่มีขนาดเท่าห้องที่ให้พลังงานเตรียมพร้อมสำหรับ ชุมสายโทรศัพท์ และ ศูนย์ข้อมูล คอมพิวเตอร์

ตามการคาดการณ์ในปี 2005 อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ทั่วโลกสร้างมูลค่า 48 พันล้านดอลาร์สหรัฐในการขายในแต่ละปี ด้วยการเจริญเติบโตประจำปี 6%

แบตเตอรี่มีค่า พลังงานเฉพาะ (พลังงานต่อหน่วยมวล) ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับ เชื้อเพลิง ทั้งหลาย เช่นน้ำมัน แต่ก็สามารถชดเชยได้บ้างโดยประสิทธิภาพที่สูงของมอเตอร์ไฟฟ้าในการผลิตงานด้านกลไกเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาป

ประวัติ

บทความหลัก: ประวัติความเป็นมาของแบตเตอรี่

 

voltaic pile แบตเตอรี่ตัวแรก

 

อาเลสซานโดร โวลตา กำลังสาธิตแบตเตอรี่ของเขาให้กับจักรพรรดิฝรั่งเศส นโปเลียน โบนาปาร์ต

การใช้ "แบตเตอรี่" เพื่ออธิบายกลุ่มของอุปกรณ์ไฟฟ้าสามารถย้อนหลังไปในสมัย เบนจาอัฟ แฟรงคลิน ผู้ซึ่งในปี 1748 ได้อธิบายกลุ่มของ หม้อเลย์เดน โดยอุปมาว่าเป็น แบตเตอรี่ของปืนใหญ่ (เบนจามิน แฟรงคลิน ยืมคำว่า "แบตเตอรี่" จากกองทัพที่หมายถึงอาวุธที่ทำงานด้วยกัน)

อาเลสซานโดร โวลตา ได้สร้างและได้อธิบายแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีตัวแรก voltaic pile ในปี 1800. นี่เป็นชั้นซ้อนกันของแผ่นทองแดงและแผ่นสังกะสี คั่นโดยจานกระดาษชุ่มด้วยน้ำเกลือ มันสามารถผลิตกระแสที่คงที่ได้เป็นเวลานานทีเดียว โวลตาไม่ได้พอใจที่โวลเตจเกิดจากปฏิกิริยาเคมี เขาคิดว่าเซลล์ของเขาเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้ไม่หมด และการกัดกร่อนที่กระทบต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองเป็นเพียงสิ่งรบกวน มากกว่าจะเป็นผลตามมาที่ไม่อาจเลี่ยงได้ของการปฏิบัติงานของพวกมัน อย่างที่ ไมเคิล ฟาราเดย์ แสดงให้เห็นในปี 1834.

แม้ว่าแบตเตอรี่ในช่วงต้นต้นจะมีประโยชน์อย่างมากสำหรับวัตถุประสงค์ด้านการทดลองก็ตาม แต่ในทางปฏิบัติแล้วแรงดันไฟฟ้าของพวกมันมีความผันผวนและพวกมันก็ไม่สามารถให้กระแสขนาดใหญ่ได้เป็นระยะเวลาอย่างต่อเนื่อง ส่วน เซลล์ของนีลล์ ที่คิดค้นได้ในปี 1836 โดยนักเคมีชาวอังกฤษ จอห์น เฟรเดอริก นีลล์ เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าในทางปฏิบัติครั้งแรก และกลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมและได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครือข่าย โทรเลขไฟฟ้า เซลล์ของนีลล์ประกอบด้วยหม้อทองแดงที่เติมเต็มด้วยสารละลาย คอปเปอร์ซัลเฟต ที่แช่ด้วยภาชนะ ดินเผา เคลือบที่เติมเต็มด้วย กรดกำมะถัน และขั้วไฟฟ้าสังกะสี

เซลล์เปียกเหล่านี้ใช้อิเล็กโทรไลต์เป็นของเหลว ซึ่งมีแนวโน้มที่จะรั่วไหลและหกหากไม่ถือไปมาอย่างถูกต้อง หลายเซลล์ใช้โหลแก้วเพื่อยึดชิ้นส่วนของพวกมันไว้ ซึ่งทำให้พวกมันเปราะบาง ลักษณะเหล่านี้ทำให้เซลล์เปียกไม่เหมาะสมสำหรับการใช้ที่ต้องเคลื่อนย้ายไปมา เมื่อใกล้จุดสิ้นสุดของศตวรรษที่สิบเก้า การประดิษฐ์ขึ้นของ แบตเตอรี่เซลล์แห้ง ซึ่งได้แทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวด้วยสารที่เป็นของแข็งกว่า ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าแบบพกพาสามารถทำได้ในทางปฏิบัติ

หลักการทำงาน

บทความหลัก: เซลล์ไฟฟ้าเคมี

 

เซลล์แบบโวลตา (เซลล์ที่สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าโดยการแปลงที่ย้อนกลับไม่ได้จากพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ไม่สามารถประจุใหม่ได้) สำหรับวัตถุประสงค์เพื่อการสาธิต ในตัวอย่างนี้ครึ่ง-เซลล์สองตัวถูกเชื่อมเข้าด้วยกันโดยแผ่นคั่น สะพานเกลือ ที่ยอมให้มีการถ่ายโอนไอออนได้

แบตเตอรี่แปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์แบบโวลตาได้มากกว่าหนึ่งเซลล์ แต่ละเซลล์ประกอบด้วยสอง ครึ่งเซลล์ ที่เชื่อมต่อเรียงกันเป็นแถวโดยสารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีไอออนที่มีประจุลบ (อังกฤษ: anion) และไอออนที่มีประจุบวก (อังกฤษ: cation) ครึ่งเซลล์หนึ่งตัวจะมีอิเล็กโทรไลต์และขั้วลบ (อิเล็กโทรดที่แอนไอออนวิ่งเข้าหา); อีกครึ่งเซลล์หนึ่งจะมีอิเล็กโทรไลต์และขั้วบวก (อิเล็กโทรดที่แคทไอออนวิ่งเข้าหา Redox ปฏิกิริยา Redox เป็นตัวให้พลังงานกับแบตเตอรี่ แคทไอออนจะลดลง (อิเล็กตรอนมีการเพิ่ม) ที่แคโทดระหว่างการชาร์จประจุ ในขณะที่แอนไอออนจะถูกออกซิไดซ์ (อิเล็กตรอนจะถูกลบออก) ที่ขั้วบวกระหว่างการชาร์จ ในระหว่างการดีสชาร์จกระบวนการจะเป็นตรงกันข้าม ขั้วไฟฟ้าทั้งสองไม่ได้สัมผัสกัน แต่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดย อิเล็กโทรไลต์ เซลล์บางตัวใช้อิเล็กโทรไลต์แตกต่างกันสำหรับแต่ละครึ่งเซลล์ ตัวคั่นช่วยให้ไอออนไหลระหว่างครึ่งเซลล์ แต่จะช่วยป้องกันการผสมของอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองด้าน

แต่ละครึ่งเซลล์มี แรงเคลื่อนไฟฟ้า (หรือ EMF) ที่กำหนดโดยความสามารถของมันในการขับกระแสไฟฟ้าจากภายในสู่ภายนอกของเซลล์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าสุทธิของเซลล์คือความแตกต่างระหว่าง EMFs ของครึ่งเซลล์ของมัน ดังนั้นหากขั้วไฟฟ้ามี EMFs = ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}}$  และ ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}}$  ดังนั้น EMF สุทธิจะเป็น ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}-{\mathcal {E}}_{1}}$ ; พูดอีกอย่าง EMF สุทธิคือความแตกต่างระหว่าง Reduction potential ของ ครึ่งปฏิกิริยา

แรงขับไฟฟ้าหรือ ${\displaystyle \displaystyle {\Delta V_{bat}}}$  ที่ตกคร่อม ขั้ว ของเซลล์เรียกว่า แรงดันไฟฟ้า (แตกต่าง) ที่ขั้ว และถูกวัดเป็น โวลต์ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ที่ไม่ใช่ทั้งกำลังชาร์จและดีสชาร์จเรียกว่า แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และเท่ากับ emf ของเซลล์. ผลจากความต้านทานภายใน แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ที่กำลังดีสชาร์จจึงมีขนาดเล็กกว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ที่กำลังชาร์จก็จะมีมากเกินแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

เซลล์ในอุดมคติจะมีความต้านทานภายในเล็กน้อยจนตัดทิ้งได้ ดังนั้นมันจึงจะรักษาระดับแรงดันที่ขั้วให้มีค่าคงที่ที่เท่ากับ ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$  จนหมดแรง แล้วลดลงไปอยู่ที่ศูนย์ ถ้าเซลล์ดังกล่าวสามารถรักษาระดับไว้ที่ 1.5 โวลต์และจัดเก็บประจุจำนวนหนึ่ง คูลอมบ์ จากนั้นเมื่อมันดีสชาร์จอย่างสมบูรณ์ มันควรจะทำงานได้ 1.5 จูล ในเซลล์ปกติ ความต้านทานภายในจะเพิ่มระหว่างการดีสชาร์จ และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดก็จะลดลงด้วยระหว่างการดีสชาร์จ ถ้าแรงดันไฟฟ้าและความต้านทานถูกวาดเป็นกราฟกับแกนเวลา รูปกราฟที่ได้มักจะเป็นเส้นโค้ง; รูปร่างของเส้นโค้งจะแปรไปตามคุณสมบัติทางเคมีและการจัดแจงภายใน

แรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าของเซลล์จะขึ้นอยู่กับการปลดปล่อยพลังงานของปฏิกิริยาเคมีของขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ของมัน เซลล์แบบ อัลคาไลน์ และแบบ สังกะสีคาร์บอน มีปฏิกิริยาเคมีแตกต่างกัน แต่มี EMF ประมาณเดียวกันที่ 1.5 โวลต์; ในทำนองเดียวกัน เซลล์แบบ NiCd และแบบ NiMH จะมีเคมีที่แตกต่างกัน แต่มี EMF ประมาณเดียวกันที่ 1.2 โวลต์ การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้​​าเคมีที่สูงในปฏิกิริยาของสารประกอบ ลิเธียม จะเป็นผลให้เซลล์ลิเธียมมี EMF ที่ 3 โวลต์หรือมากกว่า

ประเภทแบตเตอรี่สามัญ

แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้ และชนิดใช้แล้วทิ้ง

 

ตัวอย่างแบตเตอรี่หลายชนิด (จากซ้ายไปขวา บนลงล่าง): ถ่านไฟฉายขนาด AA สองก้อน, ถ่านไฟฉายก้อนใหญ่ (D), แบตเตอรี่วิทยุสื่อสาร, ถ่าน 9 โวลต์ (PP3) สองก้อน, ถ่านไฟฉายขนาด AAA สองก้อน, ถ่านไฟถ่ายก้อนกลาง (C), แบตเตอรี่กล้องวีดีโอ, และแบตเตอรี่โทรศัพท์บ้านไร้สาย

จากมุมมองของผู้ใช้แบตเตอรี่แบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้; แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้ และ แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ไม่ได้ (ใช้แล้วทิ้ง) ซึ่งนิยมใช้อย่างแพร่หลายทั้งสองชนิด

แบตเตอรี่ใช้แล้วทิ้งเรียกอีกอย่างว่า เซลล์ปฐมภูมิ ใช้ได้ครั้งเดียว เนื่องจากไฟฟ้าที่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสารเคมีเมื่อสารเคมีเปลี่ยนแปลงหมดไฟฟ้าก็จะหมดจากแบตเตอรี่ แบตเตอรี่เหล่านี้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ขนาดเล็กและสามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก ใช้ไฟน้อยหรือในที่ที่ห่างไกลจากพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ

ในทางตรงกันข้ามแบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้หรือ เซลล์ทุติยภูมิ สามารถประจุไฟฟ้าใหม่ได้หลังจากไฟหมดเนื่องจากสารเคมีที่ใช้ทำแบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถทำให้กลับไปอยู่ในสภาพเดิมได้โดยการประจุไฟฟ้าเข้าไปใหม่ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้อัดไฟนี้เรียกว่า ชาร์เจอร์ หรือ รีชาร์เจอร์

แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้ที่เก่าแก่ที่สุดซึ่งใช้อยู่จนกระทั่งปัจจุบันคือ "เซลล์เปียก" หรือแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (lead-acid battery) แบตเตอรี่ชนิดนี้จะบรรจุในภาชนะที่ไม่ได้ปิดผนึก (unsealed container) ซึ่งแบตเตอรี่จะต้องอยู่ในตำแหน่งตั้งตลอดเวลาและต้องเป็นพื้นที่ที่ระบายอากาศได้เป็นอย่างดี เพื่อระบายก๊าซ ไฮโดรเจน ที่เกิดจากปฏิกิริยาและแบตเตอรี่ชนิดจะมีน้ำหนักมาก

รูปแบบสามัญของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด คือแบตเตอรี่ รถยนต์ ซึ่งสามารถจะให้พลังงานไฟฟ้าได้ถึงประมาณ 10,000 วัตต์ในช่วงเวลาสั้น ๆ และมีกระแสตั้งแต่ 450 ถึง 1100 แอมแปร์ สารละลายอิเล็กโตรไลต์ของแบตเตอรี่คือ กรดซัลฟิวริก ซึ่งสามารถเป็นอันตรายต่อผิวหนังและตาได้ แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดที่มีราคาแพงมากเรียกว่า แบตเตอรี่เจล (หรือ "เจลเซลล์") ภายในจะบรรจุอิเล็กโตรไลต์ประเภทเซมิ-โซลิด (semi-solid electrolyte) ที่ป้องกันการหกได้ดี และแบตเตอรี่ชนิดอัดไฟใหม่ได้ที่เคลื่อนย้ายได้สะดวกกว่าคือประเภท "เซลล์แห้ง" ที่นิยมใช้กันในโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก เซลล์ของแบตเตอรี่ชนิดนี้คือ

• นิเกิล-แคดเมียม (NiCd)
• นิเกิลเมตทัลไฮไดรด์ (NiMH)
• ลิเธียม-ไอออน (Li-Ion)

(Primary cell) ใช้แล้วทิ้ง

• Zinc-carbon battery
• Alkaline battery
• Silver-oxide battery
• Lithium battery
• Mercury battery
• Zinc-air battery

ชาร์จใหม่ได้

• Lead-acid battery
  • Absorbed glass mat
  • Gel battery
• lithium-ion battery
• lithium ion polymer battery
• NaS battery
• Nickel metal hydride battery
• Nickel-cadmium battery
• Sodium-metal chloride battery
• Nickel-zinc battery

ดูเพิ่ม

• แคโทด
• แอโนด
• แบตเตอรี่ อะลูมิเนียม-ไอออน

อ้างอิง

1. Crompton, T. R. (2000-03-20). Battery Reference Book (third ed.). Newnes. p. Glossary 3. ISBN 0080499953. สืบค้นเมื่อ 2016-03-18.
2. "Battery - Definition of battery by Merriam-Webster". merriam-webster.com.
3. Pistoia, Gianfranco (2005-01-25). Batteries for Portable Devices. Elsevier. p. 1. ISBN 0080455565. สืบค้นเมื่อ 2016-03-18.
4. Power Shift: DFJ on the lookout for more power source investments.Draper Fisher Jurvetson. Retrieved 20 November 2005.
5. Bellis, Mary. History of the Electric Battery. About.com. Retrieved 11 August 2008.
6. National Geographic Society. "Quiz: What You Don't Know About Batteries". National Geographic.
7. Bellis, Mary. Alessandro Volta – Biography of Alessandro Volta – Stored Electricity and the First Battery. About.com. Retrieved 7 August 2008.
8. Stinner, Arthur. Alessandro Volta and Luigi Galvani (PDF). Retrieved 11 August 2008.
9. Electric Battery History – Invention of the Electric Battery. The Great Idea Finder. Retrieved 11 August 2008.
10. Battery History, Technology, Applications and Development. MPower Solutions Ltd. Retrieved 19 March 2007.
11. Borvon, Gérard (10 September 2012). "History of the electrical units". Association S-EAU-S.
12. "Columbia Dry Cell Battery". National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. สืบค้นเมื่อ 25 March 2013.
13. Dingrando 665.
14. Saslow 338.
15. Dingrando 666.
16. Knight 943.
17. Knight 976.
18. Terminal Voltage – Tiscali Reference. Originally from Hutchinson Encyclopaedia. Retrieved 7 April 2007.
19. Dingrando 674.
20. Dingrando 677.