ใบความรู้

ใบความรู้ท่ี 2 เร่ือง เซลล์ไฟฟ้า (Electric Cell) สาระสาคัญ เซลลไ์ ฟฟา้ เป็นอุปกรณ์ทม่ี ีความสาคญั ในงานไฟฟ้า – อิเลก็ ทรอนกิ ส์มาก เนอื่ งจากเป็นอุปกรณท์ ี่เปน็ แหลง่ จ่ายกาลงั ไฟฟา้ ใหแ้ ก่อุปกรณ์ไฟฟ้า – อิเลก็ ทรอนิกส์ ท่ีนาไปใชใ้ นสถานทตี่ า่ ง ๆ ได้อย่างสะดวกเชน่ นาฬกิ า ไฟฉาย รีโมท โทรศพั ท์ เปน็ ต้น การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าหมายถึงการนาเอาเซลล์ไฟฟ้าหลาย ๆ เซลล์มาตอ่ กันเพ่ือให้ได้แรงดันไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้า เพิม่ ขน้ึ ตามความเหมาะสมกับอปุ กรณ์ไฟฟา้ – อเิ ล็กทรอนิกสน์ น้ั ๆ 1 หลกั การเซลลไ์ ฟฟ้า หลักการของเซลล์ไฟฟา้ คอื การเปลี่ยนจากพลงั งานเคมีเป็นพลังงานไฟฟา้ โดยนาขั้วไฟฟา้ คือ ทองแดง และ แผ่นสังกะสจี ่มุ ในสารซัลฟรู ิกเจือจาง ข้ัวไฟฟ้าทง้ั สองจะทาปฏกิ ริ ยิ ากบั สารละลายแลว้ เกิดการแตกตัว โดย สงั กะสีจะแตกตัวให้อิเล็กตรอนมากกวา่ ทองแดง ทาให้อิเล็กตรอนเคล่อื นท่จี ากขวั้ สงั กะสีไปส่ขู ว้ั ทองแดง ข้วั สังกะสี จะเปน็ ขว้ั ไฟฟ้าลบและมศี กั ย์ไฟฟ้าต่า สว่ นข้วั ทองแดงจะเปน็ ขัว้ ไฟฟ้าบวกและมีศักย์ไฟฟา้ สูง ดงั นน้ั จะทาให้มกี ระแสอิเล็กตรอนเคลื่อนทจี่ ากขัว้ สงั กะสไี ปสู่ขัว้ ทองแดง จงึ เกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น เซลล์ไฟฟา้ แบง่ ไดเ้ ปน็ 2 ชนดิ คือ 1.1 เซลลป์ ฐมภูมิ ( Primary Cell) เมื่อใชแ้ ล้วสารเคมีจะหมดไป และเม่ือใชก้ ระแส- ไฟฟา้ หมดแล้ว ไม่ สามารถนาไปประจุไฟฟ้าเพอ่ื นากลับมาใชใ้ หม่ได้อกี เช่น ถ่านไฟฉาย เซลล์ แอลคาไล เซลลป์ รอท เซลลเ์ งิน เป็น ตน้ 1.2 เซลลท์ ตุ ิยภมู ิ ( Secondary Cell) เม่ือใช้กระแสไฟฟ้าหมดแล้ว สามารถนาไปประจุ ไฟฟา้ เพื่อนา กลบั มาใชใ้ หม่ได้อกี เชน่ เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกั่ว เซลล์ไฟฟา้ แบบนิกเกลิ - แคดเมียม ( นกิ แคด ) เป็นต้น เซลล์ไฟฟา้ เคมมี สี ่วนประกอบทส่ี าคญั 2 ส่วน คือ 1. ขั้วไฟฟ้า เปน็ ขัว้ โลหะ 2 ชนดิ ที่เม่อื เกิดปฏิกิริยาเคมแี ล้วสามารถให้และรบั อิเล็กตรอน ได้ต่างกัน โดย ขว้ั หนึง่ จะให้อิเล็กตรอนได้ดีกว่าทาหนา้ ทเี่ ป็นข้ัวลบ และข้ัวท่รี บั อเิ ลก็ ตรอนได้ดกี วา่ จะทาหน้าท่ีเปน็ ขว้ั บวก 2. สารละลายอิเลก็ โตรไลต์ เปน็ สารละลายท่ียอมใหก้ ระแสไฟฟา้ ไหลผ่านได้ เช่น สารละลายกรด ซลั ฟวิ ริกเจอื จาง

ภาพท่ี 1 หลักการเซลล์ไฟฟ้าเคมี จากภาพท่ี 2 - 1 เมอ่ื นาแผน่ สังกะสแี ละแผ่นทองแดงจุ่มลงในสารละลายกรดซัลฟวิ รกิ เจอื จางสังกะสีและ ทองแดงจะแตกตวั เป็นอิออน (ธาตหุ รือหมูธ่ าตทุ ี่มปี ระจุไฟฟ้า) โดยทส่ี ังกะสสี ามารถแตกตัวและให้อิเล็กตรอนได้ ดีกวา่ ทองแดงจงึ มศี ักย์ไฟฟา้ ต่ากว่า (ทาหน้าท่เี ป็นข้ัวลบ) สว่ นทองแดงที่สามารถแตกตวั และใหอ้ ิเล็กตรอนไดน้ ้อย กว่าจงึ มศี ักยไ์ ฟฟ้าสงู กว่า (ทาหน้าทีเ่ ป็นขว้ั บวก)เม่ือศักย์ไฟฟ้าของทงั้ สองขว้ั ต่างกัน อิเลก็ ตรอนจงึ ไหลจากข้วั ทม่ี ี ศกั ยไ์ ฟฟ้าต่าไปยงั ขว้ั ท่ีมีศกั ย์ไฟฟา้ สูง นั่นคืออเิ ลก็ ตรอนจะเคลอ่ื นทจ่ี ากข้ัวสังกะสีผ่านเคร่ืองวดั กระแสไฟฟ้าไปยัง ข้วั ทองแดง เกิดเปน็ กระแสอิเลก็ ตรอนข้นึ และในขณะเดียวกนั จะมีกระแสไฟฟ้าซึง่ เป็นกระแสสมมติ ไหลจากขัว้ ทองแดงไปยังขว้ั สังกะสี หรือจากข้วั บวกไปยังข้ัวลบ อเิ ล็กตรอนหรือประจุลบจากแผน่ สังกะสีจะเคลื่อนทไ่ี ปยังแผ่น ทองแดง จนกระท่งั ศักย์ไฟฟา้ ของขัว้ ท้ังสองเทา่ กนั หรือไม่มคี วามตา่ งศกั ย์ อิเล็กตรอนจึงจะหยดุ เคล่ือนท่ี แต่ที่ อิเล็กตรอนยังคงไหลอยู่เรื่อยๆ เน่อื งจาก ไฮโดรเจนอิออน ( H+) ใน สารละลายอิเล็กโตรไลต์ ซง่ึ มีประจบุ วกจะมา รับอิเลก็ ตรอนที่ขั้วทองแดง เกดิ เปน็ ก๊าซไฮโดรเจน (H2 ) อย่ตู ลอดเวลา จึงทาใหป้ ระจุลบทีข่ ้วั ทองแดงน้อยกวา่ ขั้ว สงั กะสีอยู่เสมอ สว่ นขั้วสงั กะสจี ะสึกกร่อนไปเร่ือยๆ เพราะจะตอ้ งแตกตวั และให้อิเล็กตรอนกบั ขว้ั ทองแดงอยู่ ตลอดเวลาเช่นกัน 2.2 ถ่านไฟฉาย ถา่ นไฟฉายเป็นอุปกรณ์เปลย่ี นพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีพัฒนาการมาต้ังแต่ศตวรรษที่ 18 แล้ว จนถึงปจั จบุ ันจะพบเหน็ อปุ กรณ์เหลา่ น้ีหลากหลายแบบได้ในทอ้ งตลาด เพราะไดร้ ับการออกแบบและผลติ มาให้ เหมาะกับอปุ กรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ตง้ั แตข่ องธรรมดาอย่างกระบอกไฟฉาย นาฬิกาปลุกไปจนถึงอปุ กรณไ์ ฮเทคอย่าง กลอ้ งถ่ายรูปดิจติ อล โทรศัพท์มือถือ เคร่อื งเล่น MP3 ตลอดจนสนิ คา้ อืน่ ๆ แม้ชนิดของถ่านไฟฉายจะมมี าก แต่หากพจิ ารณาโดยใชห้ ลกั ของการอดั ประจไุ ฟแลว้ สามารถแบง่ ถ่านไฟฉายและ แบตเตอรี่ไดเ้ ปน็ 2 ประเภทคือ เซลล์ปฐมภูมิ (primary cell) ซงึ่ เปน็ ถ่านไฟฉายหรือแบตเตอรชี่ นดิ ใชแ้ ลว้ ทิง้ ไม่ สามารถอดั ประจุไฟซ้าได้ เช่น ถา่ นไฟฉายธรรมดา ถ่านแอลคาไลน์ ถา่ นนาฬกิ า เป็นตน้ กับเซลลท์ ตุ ยิ ภูมิ (secondary cell) ซ่งึ เปน็ แบตเตอรที่ สี่ ามารถนามาอดั ประจไุ ฟซา้ ได้ เช่น แบตเตอรีร่ ถยนต์ แบตเตอร่ีมือถือ

ถ่านไฟฉายแบบประจุไฟใหม่ได้ (rechargeable battery) เปน็ ตน้ ดังนน้ั จึงมาเรม่ิ ทาความรู้จกั ถา่ นไฟฉายธรรมดา กันก่อน ภาพท่ี 2 ถา่ นไฟฉายที่มีใช้ในปจั จบุ นั ถ่านไฟฉายธรรมดาเป็นเซลลไ์ ฟฟา้ ชนิดเซลล์คารบ์ อน-สังกะสี (carbon-zinc cell) ถกู ประดษิ ฐ์ข้ึนต้ังแตป่ ี ค.ศ. 1866 โดยชอร์ช แลกลองเช (Georges Leclanch) วศิ วกรชาวฝรั่งเศส ชื่อเซลล์คาร์บอน-สงั กะสบี อกถึง องค์ประกอบพื้นฐานของเซลลไ์ ฟฟา้ ชนดิ นีว้ า่ ประกอบดว้ ย แท่งคาร์บอนหรอื แท่งถ่านทาหน้าท่ีเปน็ ตัวนา กระแสไฟฟา้ จากแคโทด ซ่งึ สารทท่ี าหน้าท่เี ปน็ แคโทดคอื สารแมงกานสี ไดออกไซด์ (manganese dioxide) โดย ผสมรว่ มกับผงถ่าน ส่วนแอโนดคอื กระป๋องสงั กะสี (zinc) ตัวกระปอ๋ งนอกจากจะทาหน้าทเ่ี ป็นแอโนดแลว้ ยงั ใช้ บรรจุสารแคโทดดว้ ย โดยมีชัน้ ของสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์ (ammonium chloride) และซิงคค์ ลอไรด์ (zinc chloride) ทาหนา้ ที่เป็นสารอเิ ล็กโทรไลต์กนั้ ระหว่างชน้ั แคโทดและชน้ั แอโนด 2.1 ส่วนประกอบของถา่ นไฟฉายและทิศทางการเคล่อื นท่ีของกระแสอิเล็กตรอน ถา่ นไฟฉายเม่ือใช้ไปนาน ๆ ปฏิกิรยิ าเคมีจะเกิดน้อยลง ( ความตา่ งศกั ยล์ ดลง ) เน่ืองจากสารเคมที ี่ใช้ทา ปฏกิ ิริยาเคมีเหลือน้อยลง ขณะเกดิ ปฏิกิริยาเคมีจะมีน้าเกิดข้นึ ดังนัน้ เม่ือใช้งานไปนาน ๆ ถ่านไฟฉายจะบวม เย้มิ เปยี ก แสดงว่า ถา่ นเส่ือมสภาพ ควรเลกิ ใช้ เพราะมีสารทเี่ ป็นอันตรายต่อร่างกาย แมงกานีสไดออกไซด์ ( MnO 2) เปน็ สารทม่ี ีอนั ตรายถา้ เขา้ สู่ร่างกายจะไปทาลายระบบประสาทของร่างกาย

ภาพท่ี 3 ส่วนประกอบของถ่านไฟฉาย ส่วนประกอบต่างๆ ของถ่านไฟฉาย o แทง่ คาร์บอนหรือแทง่ ถา่ น ทาหน้าทีเ่ ป็นขวั้ บวก o แอมโมเนยี มคลอไรด์ ทาหน้าที่เปน็ สารละลายอิเล็กโตรไลต์ o แมงกานีสไดออกไซด์ + ผงถา่ น + กาวที่อดั กันแนน่ o กลอ่ งสงั กะสี ทาหนา้ ทเ่ี ปน็ ขั้วลบ เม่อื ต่อถา่ นไฟฉายเข้ากบั วงจรไฟฟา้ กระแสไฟฟา้ จะไหลจากข้ัวบวก (แท่งคาร์บอน) ของ ถ่านไฟฉาย ผ่านวงจรไฟฟ้าแลว้ กลบั มายงั ข้วั ลบ (กลอ่ งสงั กะสี) โดยมีแอมโมเนยี มคลอไรดท์ าหนา้ ท่ี เปน็ สารละลายอิเล็กโตร ไลต์ ซ่ึงชว่ ยใหก้ ระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ มผี งถา่ นช่วยนาไฟฟ้า และแมงกานีสไดออกไซดช์ ่วยทาใหค้ วามตา่ งศักย์ ของเซลล์คงตวั แต่เมื่อใชไ้ ปเร่ือยๆ ความตา่ งศักยร์ ะหว่างขั้วเซลล์จะคอ่ ยๆ ลดลงจนไมม่ ีความต่างศักยห์ รือมี ศักย์ไฟฟา้ เทา่ กนั ในที่สดุ จงึ ทาให้ไม่มกี ระแสไฟฟ้าไหลและใชต้ ่อไปอกี ไม่ได้ หรอื ท่ีเรยี กว่าถา่ นหมดนนั่ เอง จากท่ี ผ่านมาจะเห็นวา่ ถา่ นไฟฉายสามารถเปล่ยี นพลังงานเคมีทส่ี ะสมอยู่ให้เปน็ พลงั งานไฟฟ้าออกมาได้ จดุ เด่นของถา่ นไฟฉายธรรมดาคอื ราคาถูกและมีหลายขนาดให้เลือกใช้ แต่จดุ ดอ้ ยคอื ให้พลงั งานได้นอ้ ย ท่สี ดุ เม่อื เทียบกับถา่ นชนดิ อื่น นอกจากนีห้ ากเก็บในสถานที่มอี ณุ หภมู ิทรี่ อ้ นหรือเยน็ เกนิ ไปจะมผี ลทาให้ ประสิทธิภาพลดลง

2.2 ถ่านไฟฉายเฮฟวดี่ ิวตี่ (Heavy Duty) ถา่ นไฟฉายบางชนดิ จะติดคาวา่ “Heavy Duty” ไวท้ ี่ฉลาก เปน็ เซลลค์ าร์บอน-สังกะสีเหมอื นถา่ นไฟฉาย ธรรมดา แตม่ ีประสทิ ธภิ าพการจ่ายไฟสูงกว่าถ่านไฟฉายธรรมดา ถา่ นไฟฉายชนิดเฮฟวี่ดวิ ตี้ ไดพ้ ฒั นามาจากถ่าน คารบ์ อน-สงั กะสี ดงั น้ันจึงมโี ครงสรา้ งและสว่ นประกอบเหมอื นถ่านไฟฉายธรรมดาเกอื บทัง้ หมด ยกเวน้ เพียงถา่ น เฮฟวีด่ วิ ตใี้ ชส้ ารละลายซิงค์คลอไรดเ์ ป็น ภาพท่ี 4 ถา่ นไฟฉายชนิดเฮฟวดี่ วิ ต้ี ผ้ผู ลิตถา่ นไฟฉายทราบมานานแลว้ ว่าการผลติ ถ่านไฟฉายสามารถใชส้ ารละลาย อิเล็กโทร-ไลตช์ นดิ เดียว ได้ แต่ตดิ ปญั หาวา่ สารละลายซิงคค์ ลอไรด์มคี วามเป็นกรดจึงไมส่ ามารถกักเกบ็ ไวใ้ นกระป๋องสังกะสีได้นาน จนถึง ช่วงทศวรรษท่ี 1960 เมื่อเทคโนโลยที างวัสดพุ ัฒนามากขนึ้ จนผ้ผู ลติ พบวธิ เี พม่ิ ประสิทธภิ าพของตวั ก้นั (separator) ระหวา่ งชั้นแคโทดและชนั้ แอโนดแลว้ จงึ สามารถผลติ ถา่ นเฮฟว่ีดิวตี้ออกมาใช้งานได้จรงิ 2.3 ถ่านแอลคาไลน์ ถา่ นแอลคาไลนเ์ ปน็ ถ่านไฟฉายที่เกดิ ในปี ค.ศ. 1959 พัฒนาขึน้ โดย ลวิ อิส เออร์รี (Lewis Urry) วิศวกร ของบริษทั ผลิตถ่านไฟฉายเอเวอรเ์ รด้ี (Eveready) ถ่านแอลคาไลน์มีจดุ เดน่ ทสี่ ามารถให้พลงั งานไฟฟา้ ได้สูงกวา่ ถา่ นธรรมดา 4 – 9 เท่า (ข้ึนอย่กู บั สภาวะการใชง้ าน) และมชี ่วงอณุ หภมู ิของการใชง้ านกวา้ งกวา่ ถา่ นธรรมดา ภาพท่ี 5 ถา่ นไฟฉายแบบอัลคาไลน์

การพฒั นาถา่ นไฟฉายแอลคาไลนข์ องลวิ วสิ ได้ตน้ แบบมาจากแบตเตอร่ีแอลคาไลน์ท่โี ธมัส เอดิสนั พฒั นาขึ้นระหวา่ งปลายทศวรรษที่ 1890 ถงึ ต้นทศวรรษท่ี 1900 แบตเตอรี่แอลคาไลน์ของเอดสิ ันใชโ้ ปตัสเซยี ม ไฮดรอกไซด์ (potassium hydroxide) ซึง่ มีฤทธเ์ิ บสเปน็ สารละลายอิเล็กโทรไลต์ ใช้เหลก็ เป็นแอโนด และใช้ สารประกอบนิกเกิลออกไซด์ (nickel oxide) เปน็ แคโทด ขณะที่ลิววิส ใช้สารแมงกานสี ไดออกไซดเ์ ปน็ แคโทด ส่วนแอโนด ลิววสิ เปลย่ี นจากการใชถ้ ว้ ยสังกะสีเป็นผงสงั กะสแี ทน และใชส้ ารโปตสั เซียมไฮดรอกไซด์เปน็ สารละลายอเิ ล็กโทรไลตแ์ ทน หลังจากทดลองอนั ยาวนาน ลิววิสนาเสนอผลงานของเขาต่อระดับบรหิ ารด้วยการเชิญผบู้ รหิ ารมาที่โรง อาหารของบริษัทเพ่ือดูรถของเลน่ ท่ขี ับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า โดยคนั หนง่ึ ใสถ่ ่านแอลคาไลน์และอกี คันใส่ ถา่ นไฟฉายธรรมดา ซ่ึงรถคันที่ใสถ่ า่ นแอลคาไลนส์ ามารถแล่นกลบั ไป-มาได้หลายรอบมากกวา่ ในชว่ งแรกท่เี รมิ่ ทดลองเพื่อนพนกั งานในบริษัทมารว่ มใหก้ าลังใจจานวนมาก แตเ่ ม่ือเวลาผ่านไปเพ่ือนพนักงานตา่ งทยอยกัน กลับไปทางานท่โี ต๊ะ เพราะรถทดลองท่ีใชถ้ า่ นแอลคาไลนไ์ ม่มีแนวโน้มว่าถ่านจะหมดสักที ปจั จบุ นั ถา่ นแอลคาไลนท์ ี่จาหนา่ ยทว่ั ไปในท้องตลาดมปี ระสทิ ธภิ าพการให้พลังงานสูงกว่าถา่ นต้นแบบของ ลวิ วสิ มาก เพราะได้ผา่ นการปรับปรงุ และพัฒนาหลายอยา่ งไม่วา่ จะเปน็ การเลอื กใชผ้ งสงั กะสีที่มคี วามบริสุทธ์ิสงู และมขี นาดอนภุ าคใกลเ้ คียงกัน เลอื กใชแ้ มงกานีสไดออกไซดส์ งั เคราะหแ์ ทนแร่แมงกานสี ไดออกไซด์จากธรรมชาติ เพราะมีความบรสิ ทุ ธิ์มากกว่า ทาใหอ้ ตั ราการเกิดปฏิกริ ยิ าเคมี มคี วามสมา่ เสมอมากขึน้ และยงั มีการเติมสารซิงค์อ อกไซด์ (zinc oxide) ลงไปเพ่ือชะลอการกร่อนของผงสังกะสีด้วย ภาพที่ 6 ภาพตดั ขวางของถา่ นอลั คาไลน์

2.4 ถ่านลิเธยี ม (Lithium cells) ไดม้ กี ารเริ่มใชถ้ ่านลเิ ธียมคร้ังแรกกบั ไฟฉายตดิ ศีรษะท่ใี ช้ในวงการอุตสาหกรรม ซ่ึงในขณะนั้นมีราคาแพง มากถึง 20 เหรยี ญสหรฐั แต่มีอายุการใชง้ านยาวนานมากและยังสามารถใช้งานในสภาพอากาศที่หนาวเยน็ มากๆ ไดอ้ ีกดว้ ย แต่เน่ืองจากมนั มีสารซัลเฟอร์ไดออกไซด์เปน็ สว่ นประกอบ จงึ ถกู หา้ มนาข้ึนเคร่อื งบินไม่วา่ จะตดิ ตวั ข้ึน ไปหรือใสใ่ นกระเปา๋ เดินทางท่ีโหลดไว้ใต้เคร่ือง ดังน้ัน บรษิ ัทผูผ้ ลิตจงึ ไดพ้ ัฒนาถ่านลเิ ธียมประเภทนี้ออกมาเปน็ ลิ เธียมธโิ อนีลคลอไรด์ซ่ึงใช้ไดด้ ีกบั อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้พลังงานตา่ เชน่ หลอด LED (Light-emitting diode) สามารถ นาขนึ้ เคร่ืองบนิ ได้ มกี ารผลติ ออกมาในขนาด AA และยังมีราคาท่ถี ูกลงอีกด้วย (ประมาณ 9 – 11 เหรียญสหรัฐ) เมื่อเทียบกับว่าถา่ นกอ้ นหนึ่งสามารถใช้ไดน้ านหลายเดือน ภาพที่ 7 ถา่ นลิเธยี ม บริษทั เอเวอร์เรดี้ อเี นอรไ์ จเซอร์ ได้ผลิตถา่ นไฟฉายแบบลิเธยี มไอร์ออนไดซลั ไฟด์ (Lithium-iron disulfide) ในขนาด 1.5 โวลต์ AA สาหรบั ใช้กับกล้องถา่ ยรูปแบบอตั โนมตั ิ ข้อดีของถา่ นชนิดนี้คือมีนา้ หนักเบา กว่าถ่านอัลคาไลน์ถงึ 60% และสามารถเก็บเอาไวไ้ ด้นานถึงสิบปี แตอ่ ยา่ งไรก็ดีถา่ น ลิเธยี มแบบนเ้ี ม่ือเกิดปฏิกิรยิ า ทางเคมีภายในแลว้ จะทาใหป้ ระสิทธภิ าพของตัวถา่ นลดลงเม่ือใช้กบั อปุ กรณ์ที่ใชพ้ ลังงานตา่ เช่น ไฟฉาย นอกจากนี้ ขอ้ เสยี อกี ประการหนึ่งคือ ในการผลติ ถา่ นลเิ ธียมแบบน้ี จาเปน็ ต้องใช้พลงั งานในการผลิตถา่ นหนึง่ กอ้ น มากกวา่ ทตี่ วั ถ่านไฟฉายเองสามารถจะให้พลังงานได้ โดยใชพ้ ลงั งานในการผลติ มากกวา่ ถงึ 50 เท่า ซึง่ ความจรงิ อกี อยา่ งคือถา่ นแบบนี้ไมส่ ามารถจะรีชาร์จใหม่ได้ด้วย ภาพท่ี 8 ส่วนประกอบถ่านลิเธียม 2.2.5 ถา่ นนกิ เกลิ แคดเมยี มหรอื นแิ คด (Nickel-cadmium cells, Nicads)

ถ่านนิแคดเปน็ ถา่ นทส่ี ามารถรีชาร์จได้ เริ่มมใี ช้ครงั้ แรกในช่วงทศวรรษ 1950 และสามารถจะรชี าร์จใหม่ ได้นบั รอ้ ยครงั้ แตใ่ นสมัยนัน้ นกั เดนิ ป่าสว่ นใหญจ่ ะไมน่ ิยมใช้ถ่านนิแคดเน่ืองจากปญั หาสาคัญเกยี่ วกับการชาร์จ แบตเตอรี่ นนั่ คอื จาเป็นจะต้องใชแ้ บตเตอรี่ให้หมดเกลี้ยงก่อนถึงจะชาร์จใหม่ได้ มฉิ ะนั้นจะทาใหเ้ กิดเมโมรเี่ อฟ็ เฟ็กต์ (Memory Effect) ซงึ่ หมายถงึ การชารจ์ แบตเตอรี่ไดเ้ พียงบางสว่ น ไมส่ ามารถชารจ์ ได้เตม็ ท่ี ซง่ึ เกิดจากการ ชารจ์ แบตเตอร่ใี นขณะที่แบตเตอรี่เดิมยงั ไม่หมดดี ทาให้การชาร์จคร้งั ตอ่ ไปใชเ้ วลาส้นั ลงเนอื่ งจากแบตเตอรจ่ี ะเกบ็ ความจาในการชาร์จทีส่ ้นั ทสี่ ุดเอาไวแ้ ละทาให้ประสทิ ธภิ าพของแบตเตอรีล่ ดน้อยลงหรือหากชารจ์ ทง้ิ ไว้นานเกนิ ไป กจ็ ะทาให้แบตเตอร่รี ้อนมากและเสียหายได้อกี เช่นกนั ถา่ นนแิ คดยงั ให้พลังงานเพียง 1.2 โวลต์ซง่ึ น้อยกว่าถา่ นอัล คาไลนท์ ่ใี ห้พลังงาน 1.5 โวลต์ นอกจากน้ีสารแคดเมียมยังเป็นสารพิษท่ีอนั ตรายมากอกี ด้วย ภาพท่ี 9 ถา่ นนกิ เกลิ แคดเมียม ภาพที่ 10 ส่วนประกอบถา่ นนิกเกลิ แคดเมียม อย่างไรกด็ ี ในปัจจบุ ันได้มีการพัฒนาถ่านนิแคดให้มีคณุ ภาพดีขึน้ มาก สามารถรีชาร์จได้ง่ายขนึ้ และมี องค์กรหรือสมาคม (ในต่างประเทศ) ทีค่ อยรับเก็บถา่ นนแิ คดท่ีใชแ้ ล้วเพ่อื เอาไปรีไซเคลิ และนากลบั มาใช้ใหมไ่ ด้ ซง่ึ ไมท่ าใหเ้ กิดปัญหากบั สภาพแวดลอ้ มอีกดว้ ย 2.6 ถ่านนิกเกลิ เมทัลไฮไดรด์ (Nickel-metal hydride, NiMH)

ถา่ น NiMH น้มี ีประสทิ ธิภาพอยตู่ รงกลางระหว่างถ่านนแิ คดและถา่ นอัลคาไลนร์ ชี าร์จ ถา่ น NiMH ให้ พลงั งาน 1.2 โวลตเ์ หมอื นถ่านนิแคดและสามารถชารจ์ ใหม่ได้หลายร้อยครัง้ เชน่ กนั แตก่ ารชาร์จถา่ น NiMH จะไม่ เกิดเมโมรเ่ี อ็ฟเฟ็กตเ์ หมอื นถ่านนิแคด ตัวถา่ น NiMH จะสามารถรชี าร์จดว้ ยตวั เองประมาณ 1-4 % ของพลังงานท่ี เหลืออยู่ทุกวนั จงึ ไมส่ ามารถเก็บถ่าน NiMH เอาไวไ้ ดน้ านเท่ากับถ่านอืน่ ๆ ภาพท่ี 11 ถา่ นนกิ เกิลเมทัลไฮไดรด์ ภาพท่ี 12 สว่ นประกอบถา่ นนกิ เกิลเมทัลไฮไดรด์

2.7 เซลลแ์ บบกระดุม ( Button Cell) ตัวเซลทาจากเหลก็ ชบุ นเิ กิล้ ผิวหนา้ ด้านบนภายในเซลเป็นทองแดง ข้วั บวกทาจากออกไซด์ของปรอท กับกราไฟท์ สว่ นขัว้ ลบใช้ผงสงั กะสผี สมโปตสั เซยี มไฮดรอกไซด์ ใชใ้ นเครือ่ งคิดเลข นาฬกิ าข้อมือ อุปกรณ์ถ่ายรูป ภาพท่ี 7 เซลลแ์ บบกระดมุ ภาพท่ี 8 ส่วนประกอบของเซลลแ์ บบกระดมุ 3 แบตเตอร่ี(Battery) แบตเตอรี่ เปน็ คาเรียกท่ัว ๆ ไป ใชเ้ รียกเซลลไ์ ฟฟ้าท่นี ามาต่อกันแบบอนุกรมตั้งแต่ 2 เซลลข์ นึ้ ไป เช่น แบตเตอรี่รถยนตไ์ ด้จากการนาเซลลส์ ะสมไฟฟา้ แบบตะกัว่ ซงึ่ มีความต่างศักยเ์ ซลลล์ ะ 2 โวลต์ มาต่อกันแบบ อนุกรม 6 เซลล์ ไดค้ วามตา่ งศักย์รวม = 6 x 2 = 12 โวลต์ แบตเตอรีแ่ บ่งออกไดเ้ ป็น 2 ประเภท คอื 3.1 แบตเตอรแ่ี ห้ง (Dry Cell) คือ การนาเอาเซลล์แห้งหรอื เซลล์ไฟฟา้ ตงั้ แต่ 2 เซลล์ ขึ้นไปมาเรียงตอ่ กัน แบบอนกุ รม เชน่ ถา่ นไฟฉายทีใ่ ส่ในวทิ ยุ หรือของเลน่ ตา่ งๆ เป็นตน้

ภาพที่ 9 แบตเตอร่แี บบแห้ง ภาพที่ 10 ส่วนประกอบแบตเตอรี่แบบแหง้ 3.2 แบตเตอรี่เปยี ก (Storage Battery) จัดเป็นเซลล์ไฟฟ้าแบบทุตยิ ภมู ปิ ระกอบดว้ ยเซลล์ไฟฟ้าหลายๆ เซลล์ มาต่อกนั มีความต่างศักย์ประมาณ 12 โวลต์ ภายในจะมแี ผ่นตะกัว่ และแผน่ ตะกัว่ ออกไซด์ ซง่ึ ทาหนา้ ที่เปน็ ขัว้ ลบและขัว้ บวกตามลาดับ วางเรียงสลบั กนั แช่อยู่ในสารละลายกรดซัลฟวิ รกิ เจือจาง แบตเตอรแี่ บบน้ี ไดแ้ ก่ แบตเตอรีร่ ถยนต์

ภาพท่ี 11 แบตเตอรีแ่ บบเปยี ก ภาพท่ี 12 สว่ นประกอบแบตเตอรแี่ บบเปยี ก 4 การต่อเซลลไ์ ฟฟ้า การตอ่ เซลล์ไฟฟ้ามีเหตุผลเพื่อนาเซลล์ไฟฟ้าไปใช้งานกบั อุปกรณไ์ ฟฟ้า-อเิ ลก็ ทรอนิกส์ เนอ่ื งจาก เซลล์ไฟฟา้ ทีผ่ ลติ ขายในท้องตลาดมีขนาดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ ไม่เหมาะสมกบั อุปกรณเ์ หล่าน้นั จึงต้องมี การนาเอาเซลลไ์ ฟฟา้ มาต่อกันเพ่ือให้ได้คา่ แรงดันไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมกบั อุปกรณ์ไฟฟา้ – อเิ ล็กทรอนกิ สเ์ หลา่ นนั้ เซลลไ์ ฟฟ้าหนึ่งเซลล์จะใหแ้ รงดนั ไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าค่าหน่งึ คงท่ี ถ้าภาระไฟฟ้า(Load) ตอ้ งการใช้ แรงดนั ไฟฟา้ และกระแสไฟฟา้ มากกว่าเซลลห์ น่งึ เซลล์จะจา่ ยใหไ้ ด้ จงึ ตอ้ งนาเซลลไ์ ฟฟา้ หลายๆ เซลล์มาตอ่ เข้า ดว้ ยกัน - ถา้ ภาระไฟฟ้าต้องการแรงดันไฟฟ้ามากกว่าเซลล์หนึ่งเซลลจ์ ะจา่ ยให้ไดจ้ ะต้องนาเซลลไ์ ฟฟ้านั้นมาต่อกนั แบบอนกุ รม ( Series Cell)

- ถ้าภาระไฟฟา้ ต้องการกระแสมากข้ึนจะตอ้ งนาเซลลไ์ ฟฟ้ามาตอ่ แบบขนาน ( Parallel Cell ) - ถา้ ภาระไฟฟ้าต้องการทง้ั แรงดนั ไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ มากกว่าเซลล์หน่ึงเซลล์จะจา่ ยให้ได้จะต้องนา เซลล์ไฟฟา้ มาต่อกันแบบผสม ( Series Cell - Parallel Cell ) การตอ่ เซลล์ไฟฟา้ หมายถงึ การนาเซลล์ไฟฟา้ มาตอ่ เข้าด้วยกนั โดยปกติเซลลไ์ ฟฟ้า เชน่ ถา่ นไฟฉายจะมี คา่ 1.5 V วิธีการนาเอาเซลล์ไฟฟา้ มาต่อรวมกนั เข้าจะทาให้แรงดนั ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเปล่ียนแปลงไปจากค่า เดิม มีวธิ ีการนาเซลลไ์ ฟฟ้ามาต่อกนั 3 วธิ ีดังน้ี 1 การตอ่ แบบอนุกรม ( Series Cell ) 2 การตอ่ แบบขนาน ( Parallel Cell ) 3 การตอ่ แบบผสม ( Series Cell - Parallel Cell ) ภาพที่ 13 สญั ลักษณ์เซลลไ์ ฟฟา้ 4.1 การตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบอนกุ รม ( Series Cell ) การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรม (Series ) คือการนาเอาเซลลไ์ ฟฟา้ มาต่อเรยี งกนั โดยนาขั้วของเซลล์ไฟฟ้า ท่ีมีขั้วตา่ งกนั มาต่อเข้าดว้ ยกันแล้วนาเอาข้ัวท่เี หลือไปใช้งาน ในการทีจ่ ะนาเซลล์ไฟฟ้ามาตอ่ กันแบบอนุกรมควร เป็นเซลล์ไฟฟา้ ท่มี ขี นาดแรงดนั ไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ เทา่ กัน ผลการตอ่ เซลลแ์ บบอนุกรม จะทาให้ไดแ้ รงดันไฟฟ้ารวมเพิ่มข้นึ แต่กระแสไฟฟา้ จะไมเ่ พิ่ม กระแสไฟฟ้า รวมของวงจรมีคา่ เท่ากบั กระแสไฟฟา้ ของเซลลท์ ่ีต่าท่ีสดุ ดงั นนั้ จึงไม่ควรนาเซลลไ์ ฟฟา้ เก่าหรือทใ่ี ช้งานแล้วมาใช้ งานร่วมกับเซลลไ์ ฟฟ้าใหมเ่ พราะเซลลไ์ ฟฟา้ เกา่ จะเปน็ เหตุให้กระแสไฟฟา้ ในวงจรลดน้อยลงได้ ก . การตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม ข.สัญลักษณ์การตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม รูปท่ี 14 การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรม

จากภาพที่ 2 – 14 เป็นการต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรมหากกาหนดใหเ้ ซลลไ์ ฟฟ้า 1 เซลล์ มแี รงดันไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟา้ 500 mA จะทาให้ไดค้ ุณสมบัติของวงจรดังน้ี 1) แรงดนั ไฟฟ้าจะเพิม่ ขึ้น จากสตู ร ET = E1+ E2+E3………..+En แทนคา่ ET = 1.5 +1.5+1.5 แรงดนั ไฟฟา้ รวม ET = 4.5 V 2) กระแสไฟฟา้ ของวงจรจะเท่ากบั เซลลไ์ ฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟา้ น้อยทสี่ ดุ กระแสไฟฟา้ = 500 mA 4.2 การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน ( Parallel cell ) การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนานคือการนาเอาขว้ั ของเซลลไ์ ฟฟา้ แต่ละเซลล์ที่เหมือนกนั มาตอ่ เขา้ ด้วยกันแล้ว นาเอาขัว้ ของเซลลท์ ่ีต่อขนานไปใช้งาน การต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบขนาน เซลลไ์ ฟฟ้าแตล่ ะเซลลต์ ้องมคี า่ แรงดันไฟฟา้ และความต้านทานภายในเซลลไ์ ฟฟา้ แต่ละเซลล์เทา่ กนั การต่อแบบขนานผลกค็ ือแรงดนั ไฟฟา้ รวมเทา่ กับแรง เคลอ่ื นเคล่ือนเซลลท์ ี่ตา่ สดุ แต่กระแสไฟฟา้ รวมจะเพ่ิมสูงข้ึน คอื เท่ากบั กระแสทุกเซลลร์ วมกัน . ข.สัญลกั ษณ์การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนาน ก . การต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบขนาน รูปที่ 15 แสดงการต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน จากภาพที่ 2 – 15 เปน็ การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนานหากกาหนดใหเ้ ซลล์ไฟฟ้า 1 เซลล์ มแี รงดันไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟา้ 500 mA จะทาให้ไดค้ ุณสมบัตขิ องวงจรดงั น้ี 1) แรงดนั ไฟฟ้าจะเท่าเดมิ หรือเท่ากับแรงดนั ไฟฟ้าเซลล์ทน่ี ้อยทส่ี ดุ แรงดันไฟฟา้ รวม ET = 1.5 V 2) กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มสงู ขนึ้ จากสตู ร IT = I1+I2+I3……….In กระแสไฟฟ้ารวม IT = 500mA + 500mA + 500mA = 1500mA หรือ 1.5 A

4.3 การตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบผสม ในการต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบผสม เซลล์ไฟฟ้าแตล่ ะเซลลท์ ่จี ะนามาต่อจะต้องมีแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟา้ และความต้านทานภายในเซลล์เท่ากนั ทุกตัว การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบผสมจะมกี ารต่ออยู่ 2 วิธี คอื แบบอนุกรม- ขนาน และแบบขนาน-อนุกรม 1) การต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรม – ขนาน ก การต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรม ข การต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรม - ขนาน รูปท่ี 16 การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบผสม(อนุกรม – ขนาน) จากรูปที่ 2 – 16 ก เปน็ การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรมจะทาให้แรงดันไฟฟ้าเพ่ิมขึ้นสว่ นกระแสไฟฟา้ จะ เทา่ เดมิ สว่ นรปู ที่ 2 – 16 ข เป็นการตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบผสม(อนุกรม – ขนาน) ในการต่อเซลล์ลกั ษณะน้จี ะทาให้ ท้งั แรงดันไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าเพ่ิมขึ้น หากกาหนดให้เซลลไ์ ฟฟา้ 1 เซลล์ มีแรงดันไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟ้า 500 mA จะทาให้ไดค้ ุณสมบัติของวงจรดงั น้ี 1. แรงดันไฟฟา้ จะเพ่ิมข้ึน จากสตู ร ET = E1+ E2+E3 หรือ = E4+ E5+E6 แทนคา่ ET= 1.5 +1.5+1.5 แรงดันไฟฟา้ รวม ET = 4.5 V 2. กระแสไฟฟ้าจะเพิม่ สูงข้นึ จากสูตร IT = I1+I2 แทนค่า IT = 500mA + 500mA กระแสไฟฟา้ รวม IT = 1000mA หรือ 1 A 2) การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนาน – อนุกรม จากรปู ที่ 17 ก เป็นการต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนานจะทาให้กระแสไฟฟา้ เพ่ิมขึน้ สว่ นแรงดนั ไฟฟา้ เท่าเดิม ส่วนรูปท่ี17 ข เป็นการต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบผสม(ขนาน – อนกุ รม) ในการต่อเซลลล์ ักษณะนจี้ ะทาใหไ้ ด้ท้ัง กระแสไฟฟ้าและแรงดนั ไฟฟ้าเพิ่มขนึ้ หากกาหนดใหเ้ ซลล์ไฟฟา้ 1 เซลล์ มแี รงดนั ไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟ้า 500 mA จะทาใหไ้ ด้คณุ สมบัติของวงจรดงั นี้

ก การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน ข การตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน – อนกุ รม รปู ท่ี 17 การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบผสม(ขนาน – อนุกรม) 1. กระแสไฟฟ้าจะเพิม่ สูงขน้ึ IT = I1+I2+I3 หรือ = I4+I5+I6 จากสตู ร IT = 500mA + 500mA + 500mA กระแสไฟฟา้ รวม = 1500mA หรอื 1.5 A 2. แรงดันไฟฟา้ จะเพ่ิมขึ้น จากสูตร ET = E1+ E2 แทนคา่ ET = 1.5 +1.5 แรงดันไฟฟ้ารวม ET = 3 V 5 ข้อควรระวังในการใชเ้ ซลลไ์ ฟฟา้ 2.5.1 เปลยี่ นพร้อมกันทกุ เซลลใ์ นคราวเดยี วกนั ไม่ปะปนกนั 5.2 ปดิ สวติ ช์อุปกรณท์ ุกครงั้ หลังการใชง้ านอย่าเปดิ ค้างไว้โดยไม่จาเปน็ 5.3 ไม่ควรนาเซลลไ์ ฟฟ้าหลายชนดิ หรอื หลายยหี่ ้อมาใชป้ ะปนกนั 5.4 นาเซลลไ์ ฟฟ้าออกจากอุปกรณ์ทุกครง้ั หลงั การใช้งาน 5.5 ตรวจสอบวธิ กี ารใสเ่ ซลลไ์ ฟฟา้ และขั้วให้ถกู ต้องเสมอ 5.6 ไมแ่ กะชิ้นสว่ นเซลลไ์ ฟฟ้าออกมาเล่นและไมค่ วรวางไว้ในทท่ี ีม่ ีอุณหภมู ิสูง 5.7 หลีกเลี่ยงการทาใหเ้ ซลลไ์ ฟฟ้าเกิดการชอรต์ กัน 5.8 หา้ มนาเซลล์ไฟฟา้ ทชี่ าร์ตไฟไม่ได้มาชารต์ ไฟใหม่เพราะอาจเกิดอนั ตรายได้