E-book เรื่อง การต่อเซลล์ไฟฟ้า

1 ใบความรู้ท่ี 2 เรอื่ ง เซลล์ไฟฟา้ (Electric Cell) สาระสาคญั เซลลไ์ ฟฟา้ เปน็ อุปกรณ์ท่ีมคี วามสาคัญในงานไฟฟ้า – อิเลก็ ทรอนกิ สม์ าก เน่ืองจากเป็นอุปกรณท์ ี่เป็น แหลง่ จ่ายกาลงั ไฟฟ้าใหแ้ ก่อปุ กรณไ์ ฟฟา้ – อเิ ลก็ ทรอนิกส์ ท่นี าไปใชใ้ นสถานทีต่ ่าง ๆ ได้อย่างสะดวกเช่น นาฬกิ า ไฟฉาย รีโมท โทรศัพท์ เป็นต้น การตอ่ เซลลไ์ ฟฟา้ หมายถึงการนาเอาเซลล์ไฟฟ้าหลาย ๆ เซลลม์ าต่อกันเพ่ือให้ได้แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า เพ่มิ ขึน้ ตามความเหมาะสมกับอปุ กรณไ์ ฟฟ้า – อเิ ลก็ ทรอนิกสน์ นั้ ๆ 1 หลักการเซลล์ไฟฟ้า หลักการของเซลล์ไฟฟา้ คอื การเปลยี่ นจากพลงั งานเคมีเป็นพลงั งานไฟฟ้า โดยนาขวั้ ไฟฟ้า คอื ทองแดง และ แผ่นสงั กะสีจ่มุ ในสารซลั ฟูริกเจือจาง ขวั้ ไฟฟา้ ทงั้ สองจะทาปฏิกิริยากับสารละลายแล้วเกิดการแตกตัว โดย สงั กะสีจะแตกตัวให้อเิ ล็กตรอนมากกวา่ ทองแดง ทาใหอ้ ิเล็กตรอนเคลอื่ นท่ีจากข้ัวสังกะสีไปส่ขู วั้ ทองแดง ขว้ั สังกะสี จะเป็นขว้ั ไฟฟ้าลบและมีศกั ย์ไฟฟา้ ต่า ส่วนข้ัวทองแดงจะเปน็ ขว้ั ไฟฟ้าบวกและมีศักย์ไฟฟ้าสูง ดงั นน้ั จะทาให้มีกระแสอิเล็กตรอนเคล่ือนทจ่ี ากขวั้ สังกะสีไปสู่ขวั้ ทองแดง จึงเกิดกระแสไฟฟา้ ขน้ึ เซลลไ์ ฟฟ้าแบง่ ได้เป็น 2 ชนิดคือ 1.1 เซลลป์ ฐมภูมิ ( Primary Cell) เมือ่ ใชแ้ ล้วสารเคมจี ะหมดไป และเม่ือใชก้ ระแส- ไฟฟ้าหมดแลว้ ไม่ สามารถนาไปประจุไฟฟา้ เพื่อนากลบั มาใชใ้ หม่ได้อกี เชน่ ถ่านไฟฉาย เซลล์ แอลคาไล เซลลป์ รอท เซลล์เงิน เป็น ตน้ 1.2 เซลล์ทตุ ยิ ภมู ิ ( Secondary Cell) เมอื่ ใช้กระแสไฟฟ้าหมดแลว้ สามารถนาไปประจุ ไฟฟ้าเพ่ือนา กลบั มาใช้ใหม่ได้อีก เช่น เซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกวั่ เซลล์ไฟฟ้าแบบนิกเกิล - แคดเมยี ม ( นิกแคด ) เปน็ ต้น เซลล์ไฟฟ้าเคมีมีส่วนประกอบท่ีสาคญั 2 ส่วน คอื 1. ขัว้ ไฟฟ้า เปน็ ขว้ั โลหะ 2 ชนิด ที่เม่ือเกิดปฏกิ ริ ิยาเคมีแล้วสามารถใหแ้ ละรบั อเิ ลก็ ตรอน ไดต้ ่างกัน โดย ขั้วหนงึ่ จะให้อิเล็กตรอนได้ดีกวา่ ทาหนา้ ทีเ่ ปน็ ขว้ั ลบ และข้วั ท่รี ับอเิ ลก็ ตรอนไดด้ ีกว่าจะทาหนา้ ทีเ่ ป็นขั้วบวก 2. สารละลายอิเล็กโตรไลต์ เปน็ สารละลายทยี่ อมใหก้ ระแสไฟฟ้าไหลผา่ นได้ เช่น สารละลายกรด ซัลฟิวริกเจอื จาง

2 ภาพที่ 1 หลักการเซลลไ์ ฟฟ้าเคมี จากภาพที่ 2 - 1 เมอื่ นาแผน่ สังกะสีและแผน่ ทองแดงจุ่มลงในสารละลายกรดซัลฟิวริกเจือจางสงั กะสีและ ทองแดงจะแตกตัวเปน็ อิออน (ธาตุหรอื หมูธ่ าตทุ ี่มีประจุไฟฟ้า) โดยท่ีสังกะสีสามารถแตกตัวและใหอ้ ิเล็กตรอนได้ ดกี ว่าทองแดงจงึ มีศักย์ไฟฟา้ ต่ากว่า (ทาหน้าทีเ่ ป็นขัว้ ลบ) สว่ นทองแดงทสี่ ามารถแตกตวั และให้อิเลก็ ตรอนได้น้อย กวา่ จงึ มีศักย์ไฟฟ้าสงู กวา่ (ทาหน้าทเ่ี ปน็ ข้ัวบวก)เม่อื ศกั ย์ไฟฟา้ ของทั้งสองขัว้ ต่างกัน อเิ ลก็ ตรอนจึงไหลจากขัว้ ท่มี ี ศักยไ์ ฟฟา้ ตา่ ไปยังขั้วที่มศี ักย์ไฟฟ้าสงู นน่ั คอื อิเล็กตรอนจะเคล่ือนท่ีจากข้ัวสังกะสีผ่านเคร่ืองวัดกระแสไฟฟ้าไปยัง ขว้ั ทองแดง เกดิ เป็นกระแสอิเล็กตรอนขึ้น และในขณะเดยี วกนั จะมกี ระแสไฟฟา้ ซงึ่ เป็นกระแสสมมติ ไหลจากขัว้ ทองแดงไปยังข้ัวสังกะสี หรือจากขั้วบวกไปยังขวั้ ลบ อิเลก็ ตรอนหรือประจุลบจากแผน่ สังกะสีจะเคลื่อนท่ไี ปยังแผ่น ทองแดง จนกระทั่งศักย์ไฟฟา้ ของขั้วทั้งสองเท่ากัน หรือไม่มคี วามตา่ งศกั ย์ อเิ ล็กตรอนจึงจะหยุดเคล่ือนที่ แต่ท่ี อเิ ลก็ ตรอนยงั คงไหลอยู่เรื่อยๆ เน่ืองจาก ไฮโดรเจนอิออน ( H+) ใน สารละลายอเิ ล็กโตรไลต์ ซ่ึงมปี ระจบุ วกจะมา รบั อเิ ล็กตรอนทข่ี ้วั ทองแดง เกดิ เป็นก๊าซไฮโดรเจน (H2 ) อยูต่ ลอดเวลา จงึ ทาใหป้ ระจุลบทีข่ ว้ั ทองแดงน้อยกวา่ ขั้ว สงั กะสีอยู่เสมอ ส่วนข้ัวสังกะสจี ะสกึ กร่อนไปเรื่อยๆ เพราะจะต้องแตกตัวและให้อเิ ล็กตรอนกับข้วั ทองแดงอยู่ ตลอดเวลาเช่นกัน 2.2 ถ่านไฟฉาย ถ่านไฟฉายเปน็ อปุ กรณเ์ ปลย่ี นพลงั งานเคมเี ป็นพลงั งานไฟฟ้าทีม่ ีพฒั นาการมาต้ังแต่ศตวรรษที่ 18 แลว้ จนถึงปจั จบุ ันจะพบเห็นอุปกรณเ์ หลา่ นหี้ ลากหลายแบบไดใ้ นทอ้ งตลาด เพราะไดร้ บั การออกแบบและผลติ มาให้ เหมาะกับอปุ กรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ตงั้ แต่ของธรรมดาอยา่ งกระบอกไฟฉาย นาฬิกาปลกุ ไปจนถึงอุปกรณ์ไฮเทคอยา่ ง กลอ้ งถ่ายรปู ดิจิตอล โทรศพั ท์มือถือ เครือ่ งเล่น MP3 ตลอดจนสินคา้ อืน่ ๆ แมช้ นดิ ของถ่านไฟฉายจะมีมาก แตห่ ากพิจารณาโดยใชห้ ลักของการอดั ประจไุ ฟแลว้ สามารถแบง่ ถ่านไฟฉายและ แบตเตอร่ีไดเ้ ป็น 2 ประเภทคือ เซลล์ปฐมภมู ิ (primary cell) ซ่ึงเปน็ ถ่านไฟฉายหรือแบตเตอรชี่ นิดใช้แล้วท้ิงไม่ สามารถอัดประจุไฟซ้าได้ เชน่ ถ่านไฟฉายธรรมดา ถ่านแอลคาไลน์ ถ่านนาฬิกา เป็นต้น กับเซลล์ทุตยิ ภูมิ (secondary cell) ซง่ึ เปน็ แบตเตอรี่ท่สี ามารถนามาอัดประจุไฟซ้าได้ เชน่ แบตเตอรร่ี ถยนต์ แบตเตอร่มี ือถือ

3 ถา่ นไฟฉายแบบประจุไฟใหม่ได้ (rechargeable battery) เปน็ ต้น ดังนัน้ จงึ มาเรม่ิ ทาความรู้จกั ถา่ นไฟฉายธรรมดา กันก่อน ภาพท่ี 2 ถ่านไฟฉายท่ีมีใชใ้ นปัจจบุ นั ถ่านไฟฉายธรรมดาเปน็ เซลล์ไฟฟ้าชนดิ เซลลค์ าร์บอน-สงั กะสี (carbon-zinc cell) ถกู ประดษิ ฐข์ ้นึ ต้ังแต่ปี ค.ศ. 1866 โดยชอร์ช แลกลองเช (Georges Leclanch) วศิ วกรชาวฝรัง่ เศส ช่อื เซลลค์ าร์บอน-สงั กะสบี อกถึง องค์ประกอบพ้ืนฐานของเซลล์ไฟฟา้ ชนดิ นี้วา่ ประกอบด้วย แทง่ คาร์บอนหรอื แท่งถ่านทาหนา้ ทเ่ี ปน็ ตวั นา กระแสไฟฟา้ จากแคโทด ซ่ึงสารทีท่ าหนา้ ที่เปน็ แคโทดคือ สารแมงกานีสไดออกไซด์ (manganese dioxide) โดย ผสมร่วมกบั ผงถา่ น สว่ นแอโนดคอื กระป๋องสังกะสี (zinc) ตัวกระปอ๋ งนอกจากจะทาหน้าท่เี ปน็ แอโนดแลว้ ยงั ใช้ บรรจุสารแคโทดดว้ ย โดยมีช้ันของสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์ (ammonium chloride) และซิงคค์ ลอไรด์ (zinc chloride) ทาหนา้ ท่ีเป็นสารอิเล็กโทรไลต์กนั้ ระหวา่ งชัน้ แคโทดและชั้นแอโนด 2.1 สว่ นประกอบของถา่ นไฟฉายและทิศทางการเคล่อื นที่ของกระแสอิเลก็ ตรอน ถา่ นไฟฉายเมื่อใช้ไปนาน ๆ ปฏกิ ริ ยิ าเคมีจะเกิดน้อยลง ( ความต่างศักย์ลดลง ) เน่อื งจากสารเคมีท่ใี ช้ทา ปฏกิ ริ ยิ าเคมีเหลือน้อยลง ขณะเกิดปฏิกริ ยิ าเคมจี ะมนี า้ เกิดขึ้น ดงั นนั้ เม่ือใชง้ านไปนาน ๆ ถา่ นไฟฉายจะบวม เยมิ้ เปียก แสดงวา่ ถ่านเสื่อมสภาพ ควรเลกิ ใช้ เพราะมีสารทีเ่ ป็นอันตรายต่อร่างกาย แมงกานีสไดออกไซด์ ( MnO 2) เป็นสารท่มี อี นั ตรายถา้ เขา้ สรู่ ่างกายจะไปทาลายระบบประสาทของร่างกาย

4 ภาพที่ 3 สว่ นประกอบของถ่านไฟฉาย สว่ นประกอบต่างๆ ของถ่านไฟฉาย o แท่งคาร์บอนหรอื แท่งถ่าน ทาหน้าทีเ่ ป็นขัว้ บวก o แอมโมเนียมคลอไรด์ ทาหน้าท่เี ป็นสารละลายอเิ ล็กโตรไลต์ o แมงกานีสไดออกไซด์ + ผงถ่าน + กาวที่อัดกนั แนน่ o กล่องสงั กะสี ทาหน้าทเี่ ป็นขั้วลบ เม่ือต่อถา่ นไฟฉายเข้ากบั วงจรไฟฟา้ กระแสไฟฟ้าจะไหลจากข้ัวบวก (แท่งคาร์บอน) ของ ถ่านไฟฉาย ผ่านวงจรไฟฟ้าแล้วกลับมายังขั้วลบ (กล่องสงั กะสี) โดยมีแอมโมเนยี มคลอไรด์ทาหน้าที่ เปน็ สารละลายอิเลก็ โตร ไลต์ ซง่ึ ช่วยให้กระแสไฟฟา้ ไหลผ่านได้ มีผงถ่านชว่ ยนาไฟฟ้า และแมงกานสี ไดออกไซด์ช่วยทาให้ความต่างศักย์ ของเซลลค์ งตวั แต่เมื่อใชไ้ ปเรื่อยๆ ความตา่ งศักยร์ ะหว่างข้ัวเซลล์จะค่อยๆ ลดลงจนไม่มีความตา่ งศักยห์ รอื มี ศกั ย์ไฟฟา้ เท่ากันในทส่ี ดุ จงึ ทาใหไ้ ม่มกี ระแสไฟฟ้าไหลและใช้ต่อไปอีกไม่ได้ หรือทเี่ รียกว่าถ่านหมดนนั่ เอง จากท่ี ผ่านมาจะเห็นว่าถ่านไฟฉายสามารถเปลย่ี นพลังงานเคมีทสี่ ะสมอยู่ให้เป็นพลงั งานไฟฟ้าออกมาได้ จดุ เดน่ ของถ่านไฟฉายธรรมดาคอื ราคาถูกและมหี ลายขนาดให้เลือกใช้ แตจ่ ุดด้อยคอื ให้พลังงานได้นอ้ ย ที่สุดเมอ่ื เทียบกับถ่านชนดิ อืน่ นอกจากนี้หากเก็บในสถานที่มีอณุ หภูมิท่รี ้อนหรือเยน็ เกนิ ไปจะมีผลทาให้ ประสิทธภิ าพลดลง

5 2.2 ถ่านไฟฉายเฮฟวีด่ ิวตี่ (Heavy Duty) ถ่านไฟฉายบางชนิดจะตดิ คาวา่ “Heavy Duty” ไวท้ ฉ่ี ลาก เป็นเซลล์คาร์บอน-สงั กะสเี หมอื นถา่ นไฟฉาย ธรรมดา แตม่ ีประสิทธิภาพการจ่ายไฟสงู กว่าถา่ นไฟฉายธรรมดา ถา่ นไฟฉายชนิดเฮฟวด่ี ิวตี้ ไดพ้ ัฒนามาจากถา่ น คารบ์ อน-สังกะสี ดงั นนั้ จึงมโี ครงสร้างและส่วนประกอบเหมอื นถ่านไฟฉายธรรมดาเกือบทง้ั หมด ยกเวน้ เพียงถ่าน เฮฟวีด่ ิวตใ้ี ชส้ ารละลายซงิ ค์คลอไรดเ์ ปน็ ภาพท่ี 4 ถ่านไฟฉายชนดิ เฮฟวี่ดวิ ต้ี ผผู้ ลิตถา่ นไฟฉายทราบมานานแล้ววา่ การผลิตถา่ นไฟฉายสามารถใช้สารละลาย อิเลก็ โทร-ไลต์ชนดิ เดียว ได้ แต่ติดปญั หาวา่ สารละลายซิงค์คลอไรด์มีความเป็นกรดจึงไม่สามารถกักเก็บไวใ้ นกระป๋องสงั กะสีไดน้ าน จนถึง ช่วงทศวรรษท่ี 1960 เม่ือเทคโนโลยีทางวัสดุพฒั นามากขน้ึ จนผู้ผลิตพบวธิ เี พ่มิ ประสทิ ธิภาพของตัวกัน้ (separator) ระหว่างชน้ั แคโทดและชน้ั แอโนดแลว้ จงึ สามารถผลิตถา่ นเฮฟว่ีดิวตีอ้ อกมาใชง้ านได้จริง 2.3 ถา่ นแอลคาไลน์ ถ่านแอลคาไลนเ์ ปน็ ถา่ นไฟฉายทเี่ กดิ ในปี ค.ศ. 1959 พฒั นาขึ้นโดย ลิวอสิ เออร์รี (Lewis Urry) วิศวกร ของบริษัทผลิตถ่านไฟฉายเอเวอรเ์ รด้ี (Eveready) ถา่ นแอลคาไลนม์ จี ุดเด่นทสี่ ามารถให้พลงั งานไฟฟา้ ได้สูงกวา่ ถ่านธรรมดา 4 – 9 เท่า (ขึน้ อย่กู บั สภาวะการใชง้ าน) และมีชว่ งอุณหภมู ิของการใชง้ านกวา้ งกว่าถา่ นธรรมดา ภาพท่ี 5 ถ่านไฟฉายแบบอลั คาไลน์

6 การพฒั นาถา่ นไฟฉายแอลคาไลน์ของลิววสิ ไดต้ ้นแบบมาจากแบตเตอรแี่ อลคาไลน์ทโี่ ธมสั เอดสิ ัน พฒั นาขึ้นระหวา่ งปลายทศวรรษท่ี 1890 ถึงตน้ ทศวรรษท่ี 1900 แบตเตอร่ีแอลคาไลน์ของเอดสิ ันใชโ้ ปตัสเซยี ม ไฮดรอกไซด์ (potassium hydroxide) ซ่ึงมีฤทธิเ์ บสเปน็ สารละลายอเิ ลก็ โทรไลต์ ใชเ้ หลก็ เป็นแอโนด และใช้ สารประกอบนกิ เกลิ ออกไซด์ (nickel oxide) เป็นแคโทด ขณะทล่ี ิววสิ ใชส้ ารแมงกานีสไดออกไซดเ์ ปน็ แคโทด สว่ นแอโนด ลิววสิ เปลยี่ นจากการใช้ถ้วยสังกะสีเปน็ ผงสงั กะสแี ทน และใชส้ ารโปตสั เซยี มไฮดรอกไซด์เปน็ สารละลายอิเลก็ โทรไลต์แทน หลงั จากทดลองอนั ยาวนาน ลวิ วิสนาเสนอผลงานของเขาต่อระดบั บรหิ ารด้วยการเชญิ ผบู้ ริหารมาทโ่ี รง อาหารของบริษัทเพ่ือดรู ถของเลน่ ท่ขี ับเคลื่อนดว้ ยมอเตอร์ไฟฟา้ โดยคนั หนึง่ ใสถ่ ่านแอลคาไลน์และอีกคนั ใส่ ถา่ นไฟฉายธรรมดา ซ่งึ รถคันที่ใส่ถา่ นแอลคาไลนส์ ามารถแลน่ กลบั ไป-มาไดห้ ลายรอบมากกวา่ ในช่วงแรกทเ่ี รม่ิ ทดลองเพอ่ื นพนกั งานในบรษิ ัทมาร่วมใหก้ าลงั ใจจานวนมาก แต่เมื่อเวลาผ่านไปเพื่อนพนักงานตา่ งทยอยกัน กลบั ไปทางานท่ีโตะ๊ เพราะรถทดลองที่ใช้ถ่านแอลคาไลนไ์ ม่มแี นวโน้มวา่ ถา่ นจะหมดสกั ที ปจั จบุ นั ถ่านแอลคาไลน์ที่จาหนา่ ยทั่วไปในท้องตลาดมปี ระสิทธิภาพการให้พลังงานสูงกว่าถ่านต้นแบบของ ลิววิสมาก เพราะได้ผ่านการปรบั ปรงุ และพัฒนาหลายอยา่ งไมว่ ่าจะเปน็ การเลือกใชผ้ งสังกะสีที่มคี วามบรสิ ุทธิ์สูง และมขี นาดอนุภาคใกลเ้ คยี งกัน เลอื กใช้แมงกานสี ไดออกไซดส์ ังเคราะหแ์ ทนแรแ่ มงกานีสไดออกไซดจ์ ากธรรมชาติ เพราะมคี วามบรสิ ุทธ์มิ ากกว่า ทาให้อตั ราการเกิดปฏิกิริยาเคมี มีความสม่าเสมอมากขึน้ และยังมีการเตมิ สารซิงค์อ อกไซด์ (zinc oxide) ลงไปเพื่อชะลอการกร่อนของผงสงั กะสดี ว้ ย ภาพท่ี 6 ภาพตดั ขวางของถ่านอลั คาไลน์

7 2.4 ถ่านลิเธียม (Lithium cells) ได้มีการเรมิ่ ใช้ถ่านลเิ ธียมครงั้ แรกกบั ไฟฉายตดิ ศรี ษะทใี่ ชใ้ นวงการอตุ สาหกรรม ซ่งึ ในขณะน้นั มรี าคาแพง มากถึง 20 เหรยี ญสหรฐั แต่มีอายกุ ารใชง้ านยาวนานมากและยังสามารถใช้งานในสภาพอากาศทีห่ นาวเย็นมากๆ ไดอ้ ีกด้วย แต่เนอ่ื งจากมนั มีสารซัลเฟอร์ไดออกไซด์เปน็ สว่ นประกอบ จงึ ถกู หา้ มนาข้นึ เครื่องบินไมว่ า่ จะติดตวั ขึ้น ไปหรือใส่ในกระเปา๋ เดนิ ทางที่โหลดไวใ้ ต้เครอื่ ง ดงั นน้ั บริษัทผผู้ ลติ จงึ ได้พัฒนาถา่ นลเิ ธียมประเภทนี้ออกมาเป็นลิ เธยี มธิโอนีลคลอไรดซ์ ึ่งใช้ได้ดีกับอปุ กรณ์ไฟฟา้ ท่ีใช้พลังงานตา่ เชน่ หลอด LED (Light-emitting diode) สามารถ นาขน้ึ เครื่องบนิ ได้ มีการผลติ ออกมาในขนาด AA และยงั มีราคาทถ่ี ูกลงอีกดว้ ย (ประมาณ 9 – 11 เหรียญสหรฐั ) เมื่อเทียบกบั ว่าถา่ นกอ้ นหน่ึงสามารถใช้ไดน้ านหลายเดือน ภาพที่ 7 ถ่านลิเธยี ม บรษิ ัทเอเวอร์เรดี้ อีเนอรไ์ จเซอร์ ได้ผลติ ถา่ นไฟฉายแบบลเิ ธยี มไอร์ออนไดซลั ไฟด์ (Lithium-iron disulfide) ในขนาด 1.5 โวลต์ AA สาหรบั ใชก้ ับกล้องถ่ายรูปแบบอัตโนมัติ ขอ้ ดีของถ่านชนิดนี้คือมนี า้ หนักเบา กว่าถา่ นอัลคาไลน์ถงึ 60% และสามารถเกบ็ เอาไวไ้ ด้นานถึงสิบปี แตอ่ ย่างไรกด็ ีถ่าน ลเิ ธยี มแบบนีเ้ มื่อเกดิ ปฏกิ ิริยา ทางเคมภี ายในแล้วจะทาใหป้ ระสทิ ธภิ าพของตวั ถา่ นลดลงเมือ่ ใชก้ บั อุปกรณ์ท่ีใช้พลงั งานตา่ เชน่ ไฟฉาย นอกจากนี้ ข้อเสียอีกประการหนง่ึ คือ ในการผลิตถ่านลิเธยี มแบบนี้ จาเป็นตอ้ งใช้พลงั งานในการผลิตถา่ นหน่ึงกอ้ น มากกว่าทตี่ ัวถ่านไฟฉายเองสามารถจะใหพ้ ลังงานได้ โดยใชพ้ ลงั งานในการผลิตมากกว่าถึง 50 เทา่ ซ่งึ ความจริงอีก อย่างคือถา่ นแบบนไี้ ม่สามารถจะรีชาร์จใหม่ได้ด้วย ภาพท่ี 8 ส่วนประกอบถา่ นลิเธียม 2.2.5 ถา่ นนิกเกลิ แคดเมยี มหรอื นิแคด (Nickel-cadmium cells, Nicads)

8 ถา่ นนิแคดเปน็ ถ่านทส่ี ามารถรชี ารจ์ ได้ เริ่มมีใชค้ รัง้ แรกในช่วงทศวรรษ 1950 และสามารถจะรชี ารจ์ ใหม่ ไดน้ ับร้อยครง้ั แตใ่ นสมัยนัน้ นกั เดนิ ปา่ ส่วนใหญ่จะไม่นยิ มใช้ถา่ นนแิ คดเนื่องจากปัญหาสาคญั เก่ียวกับการชาร์จ แบตเตอร่ี นัน่ คอื จาเป็นจะต้องใชแ้ บตเตอร่ีให้หมดเกลี้ยงก่อนถึงจะชารจ์ ใหม่ได้ มิฉะนั้นจะทาให้เกิดเมโมรเ่ี อฟ็ เฟก็ ต์ (Memory Effect) ซ่ึงหมายถึงการชารจ์ แบตเตอรไี่ ดเ้ พียงบางส่วน ไมส่ ามารถชาร์จได้เตม็ ที่ ซึ่งเกิดจากการ ชารจ์ แบตเตอรใี่ นขณะท่แี บตเตอรีเ่ ดิมยงั ไม่หมดดี ทาให้การชารจ์ ครัง้ ต่อไปใชเ้ วลาสน้ั ลงเน่ืองจากแบตเตอรี่จะเก็บ ความจาในการชาร์จทส่ี ้ันที่สดุ เอาไว้และทาให้ประสทิ ธภิ าพของแบตเตอรล่ี ดน้อยลงหรือหากชาร์จทงิ้ ไวน้ านเกินไป ก็จะทาให้แบตเตอรีร่ ้อนมากและเสียหายได้อีกเชน่ กัน ถ่านนิแคดยงั ให้พลังงานเพยี ง 1.2 โวลต์ซ่งึ นอ้ ยกว่าถ่านอัล คาไลนท์ ี่ให้พลงั งาน 1.5 โวลต์ นอกจากน้ีสารแคดเมียมยังเปน็ สารพษิ ที่อนั ตรายมากอีกด้วย ภาพที่ 9 ถา่ นนิกเกลิ แคดเมียม ภาพท่ี 10 สว่ นประกอบถา่ นนกิ เกิลแคดเมียม อยา่ งไรกด็ ี ในปจั จบุ ันได้มีการพฒั นาถ่านนแิ คดให้มีคณุ ภาพดีขนึ้ มาก สามารถรีชาร์จได้งา่ ยขนึ้ และมี องค์กรหรือสมาคม (ในตา่ งประเทศ) ทค่ี อยรับเก็บถ่านนแิ คดทีใ่ ช้แล้วเพือ่ เอาไปรีไซเคลิ และนากลับมาใช้ใหมไ่ ด้ ซง่ึ ไม่ทาใหเ้ กิดปญั หากบั สภาพแวดล้อมอีกดว้ ย 2.6 ถา่ นนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (Nickel-metal hydride, NiMH)

9 ถ่าน NiMH นีม้ ปี ระสิทธิภาพอยูต่ รงกลางระหว่างถ่านนแิ คดและถ่านอัลคาไลนร์ ีชาร์จ ถ่าน NiMH ให้ พลังงาน 1.2 โวลตเ์ หมอื นถ่านนิแคดและสามารถชาร์จใหมไ่ ด้หลายรอ้ ยครั้งเช่นกัน แต่การชาร์จถา่ น NiMH จะไม่ เกิดเมโมร่เี อ็ฟเฟก็ ต์เหมอื นถ่านนิแคด ตัวถา่ น NiMH จะสามารถรชี าร์จดว้ ยตัวเองประมาณ 1-4 % ของพลังงานท่ี เหลืออยทู่ ุกวนั จึงไมส่ ามารถเกบ็ ถ่าน NiMH เอาไว้ได้นานเทา่ กับถ่านอนื่ ๆ ภาพท่ี 11 ถา่ นนิกเกลิ เมทลั ไฮไดรด์ ภาพที่ 12 ส่วนประกอบถ่านนิกเกิลเมทลั ไฮไดรด์

10 2.7 เซลลแ์ บบกระดุม ( Button Cell) ตัวเซลทาจากเหลก็ ชุบนเิ กิ้ล ผิวหน้าดา้ นบนภายในเซลเปน็ ทองแดง ขว้ั บวกทาจากออกไซด์ของปรอท กับกราไฟท์ สว่ นข้ัวลบใช้ผงสงั กะสผี สมโปตสั เซียมไฮดรอกไซด์ ใชใ้ นเครอ่ื งคิดเลข นาฬกิ าขอ้ มือ อุปกรณ์ถา่ ยรปู ภาพท่ี 7 เซลล์แบบกระดมุ ภาพที่ 8 สว่ นประกอบของเซลล์แบบกระดมุ 3 แบตเตอร่ี(Battery) แบตเตอรี่ เป็นคาเรียกทวั่ ๆ ไป ใช้เรยี กเซลลไ์ ฟฟา้ ทีน่ ามาต่อกันแบบอนุกรมตง้ั แต่ 2 เซลล์ข้นึ ไป เช่น แบตเตอรร่ี ถยนตไ์ ดจ้ ากการนาเซลล์สะสมไฟฟ้าแบบตะกว่ั ซึง่ มคี วามต่างศักย์เซลลล์ ะ 2 โวลต์ มาต่อกันแบบ อนุกรม 6 เซลล์ ไดค้ วามตา่ งศักยร์ วม = 6 x 2 = 12 โวลต์ แบตเตอรี่แบ่งออกไดเ้ ปน็ 2 ประเภท คอื 3.1 แบตเตอร่ีแห้ง (Dry Cell) คือ การนาเอาเซลล์แหง้ หรอื เซลลไ์ ฟฟา้ ตง้ั แต่ 2 เซลล์ ขนึ้ ไปมาเรยี งต่อกัน แบบอนุกรม เชน่ ถา่ นไฟฉายทใ่ี สใ่ นวทิ ยุ หรอื ของเลน่ ต่างๆ เปน็ ต้น

11 ภาพท่ี 9 แบตเตอรแ่ี บบแหง้ ภาพที่ 10 ส่วนประกอบแบตเตอร่ีแบบแห้ง 3.2 แบตเตอรเ่ี ปียก (Storage Battery) จดั เปน็ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบทุตยิ ภูมปิ ระกอบดว้ ยเซลลไ์ ฟฟา้ หลายๆ เซลล์ มาต่อกนั มคี วามตา่ งศักย์ประมาณ 12 โวลต์ ภายในจะมแี ผ่นตะกั่วและแผ่นตะกว่ั ออกไซด์ ซึ่งทาหน้าที่เปน็ ขัว้ ลบและขั้วบวกตามลาดบั วางเรียงสลบั กันแช่อยู่ในสารละลายกรดซัลฟวิ รกิ เจอื จาง แบตเตอรแ่ี บบน้ี ได้แก่ แบตเตอรร่ี ถยนต์

12 ภาพท่ี 11 แบตเตอร่แี บบเปยี ก ภาพท่ี 12 ส่วนประกอบแบตเตอรี่แบบเปยี ก 4 การต่อเซลลไ์ ฟฟา้ การต่อเซลล์ไฟฟ้ามีเหตุผลเพื่อนาเซลล์ไฟฟ้าไปใชง้ านกบั อุปกรณไ์ ฟฟา้ -อเิ ลก็ ทรอนิกส์ เนอื่ งจาก เซลล์ไฟฟ้าท่ีผลติ ขายในท้องตลาดมขี นาดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ ไม่เหมาะสมกับอุปกรณเ์ หลา่ นน้ั จงึ ต้องมี การนาเอาเซลล์ไฟฟ้ามาต่อกันเพื่อให้ได้คา่ แรงดันไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมกบั อปุ กรณ์ไฟฟ้า – อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์เหล่านั้น เซลล์ไฟฟา้ หนง่ึ เซลล์จะให้แรงดนั ไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าค่าหนึง่ คงที่ ถา้ ภาระไฟฟ้า(Load) ตอ้ งการใช้ แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ มากกว่าเซลล์หน่ึงเซลลจ์ ะจา่ ยใหไ้ ด้ จงึ ตอ้ งนาเซลล์ไฟฟ้าหลายๆ เซลลม์ าต่อเขา้ ด้วยกนั - ถา้ ภาระไฟฟา้ ต้องการแรงดันไฟฟ้ามากกว่าเซลล์หนึ่งเซลล์จะจา่ ยให้ไดจ้ ะต้องนาเซลล์ไฟฟา้ น้นั มาต่อกนั แบบอนกุ รม ( Series Cell) - ถา้ ภาระไฟฟา้ ต้องการกระแสมากข้ึนจะต้องนาเซลล์ไฟฟ้ามาตอ่ แบบขนาน ( Parallel Cell )

13 - ถ้าภาระไฟฟา้ ต้องการทงั้ แรงดนั ไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้ามากกว่าเซลลห์ นึ่งเซลลจ์ ะจา่ ยให้ได้จะต้องนา เซลลไ์ ฟฟา้ มาต่อกนั แบบผสม ( Series Cell - Parallel Cell ) การต่อเซลลไ์ ฟฟ้า หมายถึง การนาเซลลไ์ ฟฟา้ มาต่อเข้าดว้ ยกนั โดยปกตเิ ซลล์ไฟฟา้ เชน่ ถา่ นไฟฉายจะมี ค่า 1.5 V วธิ กี ารนาเอาเซลลไ์ ฟฟ้ามาต่อรวมกันเข้าจะทาให้แรงดันไฟฟา้ และกระแสไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงไปจากคา่ เดิม มีวิธีการนาเซลล์ไฟฟา้ มาตอ่ กนั 3 วิธดี งั นี้ 1 การต่อแบบอนุกรม ( Series Cell ) 2 การต่อแบบขนาน ( Parallel Cell ) 3 การต่อแบบผสม ( Series Cell - Parallel Cell ) ภาพท่ี 13 สญั ลักษณเ์ ซลลไ์ ฟฟา้ 4.1 การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบอนกุ รม ( Series Cell ) การต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรม (Series ) คือการนาเอาเซลล์ไฟฟา้ มาต่อเรียงกนั โดยนาข้ัวของเซลล์ไฟฟ้า ท่มี ีข้ัวต่างกันมาต่อเข้าดว้ ยกันแลว้ นาเอาขัว้ ทเ่ี หลือไปใชง้ าน ในการที่จะนาเซลล์ไฟฟา้ มาต่อกันแบบอนุกรมควร เปน็ เซลลไ์ ฟฟา้ ทมี่ ขี นาดแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าเทา่ กัน ผลการตอ่ เซลลแ์ บบอนุกรม จะทาให้ได้แรงดันไฟฟ้ารวมเพิ่มขนึ้ แต่กระแสไฟฟ้าจะไมเ่ พิ่ม กระแสไฟฟา้ รวมของวงจรมีคา่ เท่ากับกระแสไฟฟ้าของเซลล์ท่ีต่าที่สุด ดงั นั้นจงึ ไม่ควรนาเซลลไ์ ฟฟา้ เก่าหรือทใี่ ชง้ านแลว้ มาใช้ งานรว่ มกับเซลลไ์ ฟฟ้าใหมเ่ พราะเซลลไ์ ฟฟา้ เกา่ จะเปน็ เหตุใหก้ ระแสไฟฟา้ ในวงจรลดน้อยลงได้ ก . การตอ่ เซลล์ไฟฟ้าแบบอนุกรม ข.สญั ลักษณ์การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรม รปู ที่ 14 การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรม

14 จากภาพที่ 2 – 14 เป็นการต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรมหากกาหนดให้เซลล์ไฟฟ้า 1 เซลล์ มีแรงดันไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟา้ 500 mA จะทาให้ไดค้ ุณสมบตั ิของวงจรดังนี้ 1) แรงดันไฟฟา้ จะเพิ่มขน้ึ จากสตู ร ET = E1+ E2+E3………..+En แทนค่า ET = 1.5 +1.5+1.5 แรงดันไฟฟ้ารวม ET = 4.5 V 2) กระแสไฟฟ้าของวงจรจะเท่ากบั เซลลไ์ ฟฟา้ ท่มี ีกระแสไฟฟา้ น้อยท่สี ดุ กระแสไฟฟา้ = 500 mA 4.2 การตอ่ เซลล์ไฟฟา้ แบบขนาน ( Parallel cell ) การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนานคอื การนาเอาขว้ั ของเซลลไ์ ฟฟ้าแตล่ ะเซลล์ทเ่ี หมือนกนั มาตอ่ เขา้ ด้วยกันแล้ว นาเอาขว้ั ของเซลลท์ ่ีต่อขนานไปใช้งาน การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนาน เซลลไ์ ฟฟ้าแต่ละเซลล์ตอ้ งมีคา่ แรงดันไฟฟ้า และความต้านทานภายในเซลล์ไฟฟ้าแตล่ ะเซลล์เทา่ กนั การตอ่ แบบขนานผลกค็ ือแรงดันไฟฟา้ รวมเทา่ กับแรง เคลอ่ื นเคล่ือนเซลลท์ ี่ต่าสดุ แต่กระแสไฟฟา้ รวมจะเพ่มิ สูงขึ้น คอื เทา่ กับกระแสทุกเซลลร์ วมกนั . ข.สัญลกั ษณ์การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนาน ก . การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน รูปท่ี 15 แสดงการต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนาน จากภาพที่ 2 – 15 เป็นการต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบขนานหากกาหนดให้เซลล์ไฟฟา้ 1 เซลล์ มีแรงดันไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟ้า 500 mA จะทาให้ได้คุณสมบตั ิของวงจรดงั น้ี 1) แรงดันไฟฟา้ จะเทา่ เดมิ หรือเทา่ กบั แรงดันไฟฟา้ เซลล์ท่ีน้อยที่สุด แรงดนั ไฟฟา้ รวม ET = 1.5 V 2) กระแสไฟฟา้ จะเพิ่มสงู ขนึ้ จากสตู ร IT = I1+I2+I3……….In กระแสไฟฟา้ รวม IT = 500mA + 500mA + 500mA = 1500mA หรอื 1.5 A 4.3 การตอ่ เซลล์ไฟฟา้ แบบผสม

15 ในการต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบผสม เซลลไ์ ฟฟ้าแต่ละเซลล์ที่จะนามาต่อจะต้องมแี รงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า และความต้านทานภายในเซลล์เทา่ กันทุกตัว การต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบผสมจะมกี ารต่ออยู่ 2 วิธี คอื แบบอนุกรม- ขนาน และแบบขนาน-อนกุ รม 1) การต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบอนุกรม – ขนาน ก การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบอนุกรม ข การตอ่ เซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรม - ขนาน รปู ท่ี 16 การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบผสม(อนกุ รม – ขนาน) จากรปู ท่ี 2 – 16 ก เป็นการต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบอนุกรมจะทาใหแ้ รงดนั ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นส่วนกระแสไฟฟ้าจะ เท่าเดิม สว่ นรูปท่ี 2 – 16 ข เปน็ การตอ่ เซลลไ์ ฟฟ้าแบบผสม(อนุกรม – ขนาน) ในการต่อเซลล์ลักษณะนจี้ ะทาให้ ทัง้ แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟา้ เพ่ิมขึ้น หากกาหนดใหเ้ ซลล์ไฟฟา้ 1 เซลล์ มีแรงดันไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟา้ 500 mA จะทาให้ได้คุณสมบัติของวงจรดงั น้ี 1. แรงดนั ไฟฟ้าจะเพ่ิมขึ้น จากสตู ร ET = E1+ E2+E3 หรือ = E4+ E5+E6 แทนคา่ ET= 1.5 +1.5+1.5 แรงดันไฟฟ้ารวม ET = 4.5 V 2. กระแสไฟฟ้าจะเพม่ิ สงู ขนึ้ จากสตู ร IT = I1+I2 แทนค่า IT = 500mA + 500mA กระแสไฟฟ้ารวม IT = 1000mA หรือ 1 A 2) การต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบขนาน – อนกุ รม จากรูปท่ี 17 ก เปน็ การต่อเซลล์ไฟฟ้าแบบขนานจะทาใหก้ ระแสไฟฟ้าเพม่ิ ขึ้นสว่ นแรงดนั ไฟฟ้าเทา่ เดิม สว่ นรปู ที่17 ข เปน็ การต่อเซลล์ไฟฟา้ แบบผสม(ขนาน – อนุกรม) ในการตอ่ เซลล์ลกั ษณะนี้จะทาให้ได้ทั้ง กระแสไฟฟา้ และแรงดันไฟฟ้าเพ่ิมขึ้น หากกาหนดใหเ้ ซลลไ์ ฟฟ้า 1 เซลล์ มีแรงดนั ไฟฟ้า 1.5 V กระแสไฟฟา้ 500 mA จะทาให้ได้คณุ สมบตั ิของวงจรดงั นี้

16 ก การต่อเซลลไ์ ฟฟา้ แบบขนาน ข การตอ่ เซลลไ์ ฟฟา้ แบบขนาน – อนุกรม รูปที่ 17 การต่อเซลลไ์ ฟฟ้าแบบผสม(ขนาน – อนกุ รม) 1. กระแสไฟฟ้าจะเพ่มิ สูงขึ้น IT = I1+I2+I3 หรือ = I4+I5+I6 จากสูตร IT = 500mA + 500mA + 500mA กระแสไฟฟา้ รวม = 1500mA หรอื 1.5 A 2. แรงดนั ไฟฟ้าจะเพ่ิมขน้ึ จากสูตร ET = E1+ E2 แทนคา่ ET = 1.5 +1.5 แรงดนั ไฟฟา้ รวม ET = 3 V 5 ขอ้ ควรระวังในการใช้เซลลไ์ ฟฟา้ 2.5.1 เปลยี่ นพร้อมกันทุกเซลล์ในคราวเดียวกนั ไม่ปะปนกนั 5.2 ปดิ สวติ ชอ์ ุปกรณท์ ุกครัง้ หลงั การใช้งานอย่าเปดิ คา้ งไว้โดยไม่จาเป็น 5.3 ไมค่ วรนาเซลล์ไฟฟ้าหลายชนดิ หรอื หลายยห่ี อ้ มาใชป้ ะปนกัน 5.4 นาเซลล์ไฟฟ้าออกจากอุปกรณ์ทุกครง้ั หลังการใช้งาน 5.5 ตรวจสอบวิธีการใส่เซลล์ไฟฟ้าและข้ัวให้ถูกต้องเสมอ 5.6 ไมแ่ กะชน้ิ สว่ นเซลล์ไฟฟา้ ออกมาเลน่ และไมค่ วรวางไว้ในท่ีทมี่ ีอณุ หภมู สิ งู 5.7 หลีกเลยี่ งการทาให้เซลลไ์ ฟฟ้าเกิดการชอรต์ กนั 5.8 ห้ามนาเซลล์ไฟฟา้ ทช่ี ารต์ ไฟไม่ไดม้ าชาร์ตไฟใหม่เพราะอาจเกิดอันตรายได้