มาตรฐานแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ทั่วไปคือเท่าใด

แรงดันไฟฟ้าตามชนิดของเซลล์แบตเตอรี่

เซลล์อัลคาไลน์ นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ และลิเธียมเบื้องต้นแบบ AA/AAA

ความแตกต่างหลักระหว่างแบตเตอรี่ AA/AAA แบบธรรมดาและแบบชาร์จได้ อยู่ที่ระดับแรงดันไฟฟ้า ซึ่งมีผลมากต่ออุปกรณ์ที่จะใช้งานร่วมกันได้ แบตเตอรี่อัลคาไลน์ทั่วไปจะให้แรงดันประมาณ 1.5 โวลต์อย่างสม่ำเสมอจนกระทั่งหมดพลังงาน ในขณะที่แบตเตอรี่ NiMH แบบชาร์จได้จะทำงานที่ประมาณ 1.2 โวลต์ตามปกติ แต่หลังจากชาร์จเสร็จใหม่ๆ จะขึ้นไปใกล้เคียงกับ 1.4 โวลต์ก่อนที่จะค่อยๆ ลดลงมา แบตเตอรี่ลิเธียม (เช่น ประเภท Li-FeS2) มีค่าแรงดัน 1.5 โวลต์เท่ากับแบตเตอรี่อัลคาไลน์ แต่สามารถคงแรงดันได้ดีกว่าภายใต้การใช้งานหนัก เพราะเก็บพลังงานได้มากกว่าและต้านทานการสูญเสียภายในได้ดีกว่า ทำให้เหมาะกับอุปกรณ์ที่กินไฟเร็ว เช่น กล้องดิจิทัลหรือไฟฉายกำลังสูง เหตุผลที่เป็นเช่นนี้เกิดจากพื้นฐานของปฏิกิริยาเคมี แบตเตอรี่อัลคาไลน์และ NiMH ใช้สารละลายที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบภายใน จึงไม่สามารถให้แรงดันเกินประมาณ 1.5 โวลต์ได้โดยไม่ก่อให้เกิดปัญหาจากการย่อยสลายของน้ำ แต่แบตเตอรี่ลิเธียมใช้สารเคมีชนิดอื่นที่ทำให้สามารถสร้างแรงดันสูงกว่าได้ตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตามควรระมัดระวัง: หากผู้ใช้ใส่แบตเตอรี่ NiMH ที่มีแรงดัน 1.2 โวลต์ลงในอุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับแบตเตอรี่อัลคาไลน์ 1.5 โวลต์ อุปกรณ์นั้นอาจปิดการทำงานเร็วกว่าที่คาดไว้อย่างมาก บางครั้งเร็วกว่าถึง 20% เพียงเพราะแรงดันของแบตเตอรี่ลดลงต่ำกว่าค่าที่อุปกรณ์ต้องการ

แรงดันเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบทรงกระบอกและแบบปริซึมที่ใช้ทั่วไป

เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนครองตลาดการใช้งานแบบชาร์จไฟใหม่ได้ในปัจจุบัน โดยแรงดันตามค่ามาตรฐานจะขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของแคโทด ทั้งแบบทรงกระบอก (เช่น 18650) และแบบปริซึม มีรูปแบบหลักเหล่านี้ร่วมกัน:

ประเภทของวัสดุแคโทเดย์มีความสำคัญอย่างมากในที่นี้ โคบอลต์ออกไซด์ (LCO) ให้แรงดันไฟฟ้าสูงและเก็บพลังงานได้มากในพื้นที่ขนาดเล็ก ซึ่งเหมาะกับการใช้งานบางประเภท ในทางกลับกัน ธาตุเหล็กฟอสเฟต (LFP) ให้แรงดันไม่สูงเท่า แต่มีข้อดีเรื่องความสามารถในการทำงานเย็นแม้ภายใต้แรงกดดัน และมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า จึงทำให้ผู้คนจำนวนมากเลือกใช้ LFP สำหรับระบบที่ต้องการเก็บพลังงานในบ้าน เช่น ระบบแบตเตอรี่สำรองภายในบ้าน ที่ซึ่งความปลอดภัยสำคัญกว่ากำลังไฟสูงสุด จากนั้นมี NMC ซึ่งอยู่ระหว่างกลางสองแบบนี้ ผู้ผลิตนิยมใช้ NMC สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า เพราะสามารถตอบสนองความต้องการด้านสมรรถนะได้ดีพอสมควร โดยไม่ต้องเสียข้อดีด้านใดด้านหนึ่งมากเกินไป อย่างไรก็ตาม เมื่อมีการนำเคมีภัณฑ์ของแบตเตอรี่ที่ต่างกันมาผสมกัน อาจเกิดปัญหาได้หากปล่อยให้คายประจุเกินขีดจำกัดที่ปลอดภัย เช่น เซลล์ LFP ต่ำกว่า 2.5 โวลต์ หรือ NMC ต่ำกว่า 3 โวลต์ สภาพเช่นนี้จะเร่งให้เกิดการสึกหรอ และอาจทำให้ชุดแบตเตอรี่ทั้งชุดเสียหายได้ในระยะยาว

ทำไมแรงดันของเซลล์แบตเตอรี่ถึงแตกต่างกัน: เคมีไฟฟ้าเบื้องหลังแรงดันตามชื่อเรียก

แรงดันในเซลล์แบตเตอรี่ไม่ใช่แค่ตัวเลขสุ่มบนแผ่นข้อมูลจำเพาะเท่านั้น แต่มันเกิดจากความแตกต่างตามธรรมชาติของคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้า ระหว่างสิ่งที่เกิดขึ้นที่วัสดุแอโนดและแคโทดภายในเซลล์ เมื่อเราพูดถึงแรงดันตามชื่อเรียก (nominal voltage) เรากำลังมองไปที่จุดที่เซลล์มีแนวโน้มจะคงที่ในช่วงรอบการคายประจุ จุดคงที่นี้ถูกกำหนดโดยปฏิกิริยาทางเคมีทั้งหมดที่เกิดขึ้นขณะแบตเตอรี่ทำงาน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้แรงดันประมาณ 3.6 ถึง 3.7 โวลต์ เพราะใช้วัสดุแคโทดที่มีประสิทธิภาพสูง เช่น ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ ในทางกลับกัน แบตเตอรี่ NiMH ทำงานต่างออกไป โดยอาศัยนิกเกิลออกซีไฮดรอกไซด์ร่วมกับโลหะผสมบางชนิดที่สามารถดูดซับไฮโดรเจนได้ ซึ่งทำให้ให้แรงดันต่ำกว่าที่ประมาณ 1.2 โวลต์ โดยมีสาเหตุหลักสามประการที่ทำให้แรงดันเหล่านี้แตกต่างกันไปในแบตเตอรี่แต่ละประเภท:

• ช่องว่างศักย์รีดอกซ์ : พลังการลดของลิเธียมที่แข็งแกร่งและค่าอิเล็กตรอนแอฟฟินิตี้สูง ทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าที่มากกว่าสังกะสี (ด่าง) หรือตะกั่ว (นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์)
• ข้อจำกัดของอิเล็กโทรไลต์ : อิเล็กโทรไลต์ชนิดน้ำจะจำกัดแรงดันที่ใช้งานได้ไว้ที่ประมาณ 1.5 โวลต์ เพื่อป้องกันการแยกตัวของน้ำ; ในขณะที่อิเล็กโทรไลต์อินทรีย์หรือแบบแข็งในระบบลิเธียมสามารถปลดล็อกศักย์ไฟฟ้าที่สูงขึ้นได้อย่างปลอดภัย
• พลวัตของปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงสถานะ : เคมีของเซลล์ที่มีปฏิกิริยาคายประจุแบบเฟสเดียว—เช่น เงินออกไซด์ (1.55 โวลต์) หรือ LFP (3.2 โวลต์)—จะให้แรงดันคงที่ราบเรียบ ในขณะที่ปฏิกิริยาหลายขั้นตอนจะทำให้เกิดเส้นโค้งแรงดันที่ลาดเอียง (เช่น เซลล์ด่าง)

ความแตกต่างเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อการออกแบบโครงสร้างระบบ: เซลล์ที่มีแรงดันสูงจะช่วยลดจำนวนเซลล์ที่ต้องต่ออนุกรมในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก ในขณะที่ทางเลือกที่มีแรงดันต่ำรองรับการออกแบบที่เน้นต้นทุนต่ำและกำลังงานต่ำ การพิจารณาทางเลือกจากการอ้างอิงหลักการทางอิเล็กโทรเคมีจะช่วยให้มั่นใจถึงสมรรถนะ ความปลอดภัย และอายุการใช้งานที่เหมาะสมที่สุด

เหนือค่าที่กำหนด: พฤติกรรมแรงดันของเซลล์แบตเตอรี่ในสภาพการใช้งานจริงภายใต้ภาระ

เปรียบเทียบเส้นโค้งการปล่อยประจุข้ามเซลล์แบตเตอรี่อัลคาไลน์, NiMH และลิเธียม-ไอออน

แนวคิดของแรงดันไฟฟ้าตามชื่อ (nominal voltage) นั้นแท้จริงถือเป็นเพียงจุดเริ่มต้นเท่านั้น เมื่อนำแบตเตอรี่ไปใช้งานภายใต้ภาระงานจริงๆ เรากลับสังเกตเห็นความแตกต่างที่ค่อนข้างมากในพฤติกรรมการใช้งาน ลองพิจารณาแบตเตอรี่อัลคาไลน์เป็นตัวอย่าง พวกมันเริ่มต้นที่ประมาณ 1.5 โวลต์ แต่จะค่อยๆ สูญเสียพลังงานลงเมื่อถูกใช้ไปเรื่อยๆ มักลดลงต่ำกว่า 1.1 โวลต์เมื่อใกล้หมด ขณะที่แบตเตอรี่นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ (NiMH) มีลักษณะต่างออกไป ซึ่งโดยทั่วไปจะคงแรงดันอยู่ที่ประมาณ 1.2 โวลต์ค่อนข้างคงที่ตลอดอายุการใช้งานส่วนใหญ่ ก่อนจะลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อถูกใช้ไปราว 80% ส่วนแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้น? กลับต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ทั้งทางเคมี NMC และ LFP จะรักษาระดับแรงดันไว้ค่อนข้างคงที่ที่ประมาณ 3.6 โวลต์ และ 3.2 โวลต์ ตามลำดับ ได้นานถึง 80% ของความจุทั้งหมด เนื่องจากการเคลื่อนที่ของลิเธียมที่สม่ำเสมอ ความคงที่นี้เองที่สร้างความแตกต่างอย่างมากในงานประยุกต์ใช้งานที่ต้องการทราบระยะเวลาการใช้งานอย่างแม่นยำ เช่น การบินโดรนเหนือพื้นที่เพาะปลูก หรืออุปกรณ์ทางการแพทย์ในโรงพยาบาล และเมื่ออุปกรณ์ต้องรองรับความต้องการพลังงานที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลัน ช่องว่างด้านประสิทธิภาพยิ่งขยายใหญ่ขึ้น แบตเตอรี่อัลคาไลน์มักจะทำให้แรงดันลดลงอย่างมากในช่วงเวลาสั้นๆ ที่ต้องใช้พลังงานสูง ขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนยังคงจ่ายพลังงานได้อย่างมั่นคง ความน่าเชื่อถือนี้เองที่ทำให้ลิเธียมมีความสำคัญอย่างยิ่งต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่สามารถยอมรับการจ่ายไฟฟ้าที่ไม่เสถียรได้

การตกของแรงดันไฟฟ้า ค่าต่ำสุดที่ตัดออก และความเสี่ยงด้านความเข้ากันได้ของอุปกรณ์

เมื่อเกิดการลดลงอย่างฉับพลันของแรงดันไฟฟ้าในช่วงที่มีความต้องการกระแสไฟฟ้าสูง ปรากฏการณ์นี้ที่เรียกว่าแรงดันตก (voltage sag) จะขึ้นอยู่กับเคมีภัณฑ์ของแบตเตอรี่เป็นอย่างมาก แบตเตอรี่อัลคาไลน์จะประสบปัญหาแรงดันตกค่อนข้างมาก บางครั้งอาจลดลงเหลือประมาณ 1.0 โวลต์เมื่ออยู่ภายใต้ภาระหนัก ในขณะที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจัดการกับสถานการณ์เหล่านี้ได้ดีกว่ามาก เนื่องจากมีความต้านทานภายในต่ำกว่าและคุณสมบัติการเคลื่อนที่ของไอออนที่ดีกว่า อุปกรณ์ส่วนใหญ่มีกลไกป้องกันในตัวที่จะตัดไฟเมื่อแรงดันถึงระดับหนึ่ง เพื่อปกป้องทั้งแบตเตอรี่เองและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมต่ออยู่ โดยทั่วไปจุดตัดไฟที่พบบ่อยคือประมาณ 2.8 โวลต์ต่อเซลล์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไป 2.5 โวลต์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต และประมาณ 1.0 โวลต์สำหรับเซลล์นิกเกิล-เมทัลไฮไดรด์ การผสมใช้แบตเตอรี่ที่มีเคมีภัณฑ์ต่างกันอาจก่อให้เกิดปัญหาได้จริงๆ ตัวอย่างเช่น การพยายามใช้อุปกรณ์ที่ออกแบบมาสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 3.6 โวลต์โดยใช้เซลล์อัลคาไลน์มาตรฐาน 1.5 โวลต์ แม้ว่าจะใส่พอดีทางกายภาพก็ตาม ความไม่เข้ากันนี้มักทำให้เกิดภาวะแรงดันต่ำ (brownouts) การทำงานผิดปกติ หรือไม่สามารถเริ่มทำงานได้เลย ก่อนเปลี่ยนแบตเตอรี่ จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องตรวจสอบไม่เพียงแต่แรงดันไฟฟ้าที่ระบุไว้เท่านั้น แต่รวมถึงแรงดันการทำงานต่ำสุดที่ยอมรับได้จริงๆ ตามข้อกำหนดของผู้ผลิตด้วย

การเลือกเซลล์แบตเตอรี่ที่เหมาะสมตามข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้า

การเลือกแรงดันของเซลล์แบตเตอรี่ให้เหมาะสมกับอุปกรณ์ที่ต้องการจ่ายไฟนั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะหากไม่ตรงกัน อุปกรณ์อาจทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ เสียหายเร็วกว่าปกติ หรือบางครั้งอาจก่อให้เกิดสถานการณ์อันตรายได้ เริ่มต้นด้วยการตรวจสอบช่วงแรงดันที่ระบบต้องการเพื่อให้ทำงานได้อย่างถูกต้อง โดยทั่วไปแล้ว ผู้คนมักใช้แรงดันมาตรฐาน เช่น 3.3 โวลต์สำหรับบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ขนาดเล็ก 5 โวลต์สำหรับอุปกรณ์ USB ภายในบ้าน และ 12 โวลต์ ซึ่งพบได้ทั่วไปทั้งในรถยนต์และระบบที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เมื่อรู้แล้วว่าระดับแรงดันใดเหมาะสมที่สุด ควรเลือกประเภทแบตเตอรี่ที่ใกล้เคียงกับค่านั้น และยังรองรับปริมาณการใช้พลังงานในระยะยาวได้อีกด้วย ตัวอย่างเช่น ตัวควบคุมการชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ที่ออกแบบมาสำหรับ 12 โวลต์ มักใช้เซลล์ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตจำนวนสี่เซลล์ต่อกันแบบอนุกรม เนื่องจากแต่ละเซลล์ให้แรงดันประมาณ 3.2 โวลต์เมื่อเต็ม สาเหตุก็เพราะแบตเตอรี่ LFP เหล่านี้สามารถรักษาระดับแรงดันเอาต์พุตได้อย่างคงที่ตลอดอายุการใช้งาน และสามารถทนต่อทั้งสภาพอากาศร้อนในฤดูร้อนและเย็นจัดในฤดูหนาวได้ดี

เมื่อพิจารณาตัวเลือกของแบตเตอรี่ อย่าหยุดเพียงแค่ค่าแรงดันตามที่ระบุบนบรรจุภัณฑ์เท่านั้น เพราะประสิทธิภาพการใช้งานจริงอาจบอกเรื่องราวที่ต่างออกไป แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสามารถรักษาระดับแรงดันไว้มากกว่า 90 เปอร์เซ็นต์ของค่าแรงดันที่กำหนดไว้ จนกระทั่งใกล้หมดเกือบเต็มที แต่แบตเตอรี่อัลคาไลน์ทำงานต่างออกไป โดยแรงดันจะลดลงอย่างต่อเนื่องระหว่างการใช้งาน ซึ่งอาจส่งผลต่อการทำงานของแหล่งจ่ายไฟแบบเชิงเส้นได้อย่างชัดเจน และนี่คือสิ่งสำคัญที่ควรตรวจสอบ: อุปกรณ์ทุกชนิดมีข้อกำหนดเรื่องแรงดันต่ำสุดของตนเอง ตัวอย่างเช่น เครื่องติดตาม GPS หรือเซ็นเซอร์ IoT เล็กๆ บางตัวอาจหยุดทำงานโดยสมบูรณ์เมื่อแรงดันของเซลล์แต่ละตัวต่ำกว่า 3 โวลต์ แม้ว่าแบตเตอรี่จะยังดูเหมือนมีประจุเหลืออยู่ตามค่ามาตรฐานก็ตาม นี่จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการเปรียบเทียบเฉพาะสเปกจึงไม่เพียงพอเสมอไปสำหรับการทำงานที่เชื่อถือได้

สำหรับการออกแบบที่สามารถปรับขนาดได้:

• ใช้การต่อแบบขนานเพื่อเพิ่มความจุ เท่านั้น โดยใช้เซลล์ที่มีเคมีภัณฑ์ อายุ และระดับประจุเหมือนกัน
• คำนวณจำนวนเซลล์ต่อแบบอนุกรมโดยใช้ขีดจำกัดในทางปฏิบัติ:
  Minimum cells = System minimum operating voltage ÷ Cell end-of-discharge voltage
Maximum cells = System maximum input voltage ÷ Cell charging voltage

แนวทางนี้ช่วยป้องกันความเสียหายจากการคายประจุเกินระดับ และรองรับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันภายใต้ภาระที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่อง—เพื่อให้มั่นใจได้ถึงการรวมตัวของแบตเตอรี่ที่ทนทานและพร้อมใช้งานในสนามจริง

คำถามที่พบบ่อย

แรงดันไฟฟ้าตามชื่อ (Nominal Voltage) ของแบตเตอรี่คืออะไร

แรงดันไฟฟ้าตามชื่อ หมายถึง ระดับแรงดันมาตรฐานที่เซลล์แบตเตอรี่ทำงานอยู่ในระหว่างรอบการคายประจุ ซึ่งได้รับอิทธิพลจากคุณสมบัติทางอิเล็กโทรเคมีของมัน

เหตุใดแบตเตอรี่อัลคาไลน์และแบตเตอรี่ NiMH จึงมีแรงดันไฟฟ้าตามชื่อแตกต่างกัน

แบตเตอรี่อัลคาไลน์มีแรงดันไฟฟ้าตามชื่อสูงกว่าเนื่องจากข้อจำกัดของอิเล็กโทรไลต์ชนิดน้ำ ขณะที่แบตเตอรี่ NiMH มีแรงดันไฟฟ้าตามชื่อต่ำกว่า ซึ่งได้รับอิทธิพลจากองค์ประกอบทางเคมีของมัน

ทำไมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจึงเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟสูง

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีแรงดันไฟฟ้าตามชื่อที่คงที่ และสามารถรองรับความต้องการกำลังไฟสูงได้ดีกว่า เนื่องจากมีความต้านทานภายในต่ำและการเคลื่อนที่ของไอออนที่มีประสิทธิภาพ

เคมีภัณฑ์ของแบตเตอรี่มีผลต่อความเข้ากันได้ของอุปกรณ์อย่างไร

สารเคมีที่แตกต่างกันส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าตามค่าปกติและลักษณะการปล่อยประจุแตกต่างกัน ซึ่งอาจส่งผลต่อการทำงานของอุปกรณ์ได้หากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ไม่สอดคล้องกับข้อกำหนดของอุปกรณ์