ในอนาคตที่โลกต้องเผชิญปัญหาการขาดแคลนพลังงานเพิ่มขึ้น และปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศที่เป็นผลมาจากกิจกรรมของมนุษย์ทำให้ปริมาณแก๊สเรือนกระจกในขั้นบรรยากาศโลกเพิ่มสูงขึ้น แบตเตอรี่จะเป็นเครื่องมือสำคัญสำหรับการจัดเก็บและการสำรองแหล่งพลังงานสะอาดที่ไม่เสถียรเช่นพลังงานแสงอาทิตย์ หรือ พลังงานลม เพื่อนำพลังงานเหล่านี้มาใช้ในเวลาที่ไม่สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานเหล่านี้ได้ เช่น ในเวลากลางคืนที่ไม่มีแสงแดด หรือในเวลาที่มีลมพัดไม่แรงเพียงพอในอนาคต เมื่อยานพาหนะต่าง ๆ ไต้เปลี่ยนมาใช้พลังงานไฟฟ้าในการขับเคลื่อน แบตเตอรี่จะเป็นแหล่งจ่ายพลังงานสำคัญในภาคการคมนาคมขนส่งนอกจากนี้ เมื่อโลกเข้าสู่ยุคที่สิ่งต่าง ๆ รอบตัวสามารถเชื่อมต่อและแลกเปลี่ยนข้อมูลกันได้ หรือที่เรียกว่ายุคของ "อินเทอร์เน็ตในทุกสรรพสิ่ง" หรือ Internet of Things จำนวนแบตเตอรี่ที่ต้องใช้ในการให้พลังงานหล่อเลี้ยงเครื่องใช้ต่าง ๆ เหล่านี้จะเพิ่มจำนวนขึ้นอีกมาก ดังนั้นการเรียนรู้เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของแบตเตอรี่ รวมทั้งแนวทางการใช้แบตเตอรี่อย่างถูกต้อง ปลอดภัยและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมจึงเป็นเรื่องสำคัญในการดำรงชีวิตในอนาคต

            จากบทความ "แบตเตอรี่ อุปกรณ์ให้พลังงานแห่งอนาคต ตอนที่ 1"ในนิตยสาร สสวท. ฉบับที่ 201  ที่ได้กล่าวถึง นิยามและประวัติของการค้นพบและการพัฒนาแบตเตอรี่แล้วในตอนที่ 2 นี้จะกล่าวถึงชนิดของแบตเตอรี่ และ ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ขนิดต่าง ๆ ที่ทุกคนคุ้นเคย

ชนิดของแบตเตอรี่

            เมื่อพิจารณาตามลักษณะของอิเล็กโทรไลต์สามารถแบ่งแบตเตอรี่ใด้ 2 ซนิด ได้แก่

1. แบตเตอรี่แห้ง (dry cell) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีลักษณะเป็นแป้งเปียก (paste) ซึ่งมีความชื้นพอดีสำหรับให้กระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ผ่านได้แบตเตอรี่แห้งสามารถนำไปใช้งานได้ไม่ว่าจะมีการจัดวางในลักษณะใด เพราะไม่มีสารที่เป็นของเหลวที่จะหกหรือรั่วออกมาข้างนอกแบตเตอรี่
2. แบตเตอรี่น้ำ (wet cell หรือ storage battery) ใช้อิเล็กโทรไลต์ที่มีสถานะเป็นของเหลวบางชนิดสามารถอัดประจุ หรือ ซาร์จได้ เช่นแบตเตอรี่ตะกั่วกรตในรถยนต์

            นอกจากนี้ ถ้าพิจารณาตามลักษณะการใช้งานของแบตเตอรี่ สามารถแบ่งแบตเตอรี่ใด้ 2 ซนิด คือ

1. แบตเตอรี่ปฐมภูมิ (primary battery)เป็นแบตเตอรี่ที่เมื่อผ่านการใช้งานแล้ว จะไม่สามารถนำกลับมาซาร์จเพื่อนำมาใช้อีกครั้งได้เช่น แบตเตอรี่แบบอัลคาไลน์ หรือ แบตเตอรี่แบบลิเทียม หรือ ที่เรียกด้วยคำทั่วไปว่า "ถ่าน"สำหรับใช้ในวิทยุ นาฬิกา หรือ รีโมทโทรทัศน์
2. แบตเตอรี่ทุติยภูมิ (secondary battery) เป็นแบตเตอรี่ที่เมื่อผ่านการใช้งานแล้ว สามารถนำมาซาร์จเพื่อนำกลับมาใช้งานได้ใหม่ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Li-ion) ที่ใช้ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ หรือโนัตบุ๊กคอมพิวเตอร์ หรือแบตเตอรี่รถยนต์

            แบตเตอรี่ทุติยภูมิ มีทั้งแบบน้ำและแบบแห้ง ชนิดที่นิยมใช้ ได้แก่ แบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด แบตเตอรี่แบบลิเทียมหรือลิเทียมไอออน และ แบตเตอรี่แบบนิกเกิซึ่งแต่ละชนิดมีปฏิกิริยาเคมีภายในและลักษณะการใช้งานแตกต่างกันตังนี้

            แบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด (lead-acid  battery) ส่วนใหญ่ประกอบตัวยเซลล์ 6 เซลล์ซึ่งมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเซลล์ละ 2 โวลด์ มีขั้ว (electrode) ทำจากตะกั่ว เมื่อมีการอัดประจุหรีอซาร์จ แผ่นตะกั่วที่เชื่อมต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่จะทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นกรดซัลฟิวริก (H₂SO₄) จะทำให้ใด้ Pb²⁺ ซึ่งจะรวมกับออกซิเจน ทำให้ได้เลด (IV) ออกไซด์ดังสมการเคมี

            จากนั้น แผ่นตะกั่วที่มี PbO₂ จะทำหน้าที่เป็นแอโนดในขณะที่แผ่นตะกั่วอีกแผ่น จะทำหน้าที่เป็นแคโทด ซึ่งมีปฏิกิริยาเคมีที่จ่ายกระแลไฟฟ้าและการซาร์จดังนี้

รูปที่ 1 ตัวอย่างแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรด (lead-acid battery)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้ นิยมใช้ในยานพาหนะชนิดต่าง ๆ ไม่ว่าจะเป็น รถ เรือ จักรยานยนต์ นอกจากนี้ ยังนิยมใช้ในเครื่องสำรองไฟฟ้าและปรับแรงดันไฟฟ้าอัตโนมัติ (UPS) และอุปกรณ์สำหรับกักเก็บพลังงานในโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์

            การจัดการกับแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดที่เสื่อมสภาพแล้ว ต้องมีการจัดการที่ถูกวิธี เนื่องจากตะกั่วและกรดเป็นสารที่เป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิต ผู้ใช้อาจนำแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดที่เสื่อมสภาพแล้วไปขายให้ร้านรับซื้อของเก่า หรือ นำไปให้ร้านขายแบตเตอรี่ เมื่อซื้อแบตเตอรี่ใหม่เพื่อให้ร้านนำไปรึไซเคิลต่อไป

รูปที่ 2 ภาพแสดงส่วนประกอบของแบตเตอรี่แบบตะกั่วกรดที่ใช้ในรถยนต์ทั่วไป

            แบตเตอรี่แบบลิเทียม หรือ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (lithium-ion หรือ Li-ion) ใช้ลิเทียมเป็นองค์ประกอบภายในของแบตเตอรี่เนื่องจากลิเทียมเป็นธาตุที่มีความสามารถในการให้อิเล็กตรอนได้ดีที่สุด แบตเตอรี่ชนิดนี้มีจุดโดดเด่นที่มีน้ำหนักเบา มีความจุต่อน้ำหนักสูง และไม่มี memory effect ที่ทำให้การอัดประจุเข้าใหม่ขณะที่ยังมีประจุไฟฟ้าเดิมค้างอยู่ซึ่งส่งผลให้แบตเตอรี่ไม่สามารถชาร์จได้ความจุสูงสุดที่เคยมีได้

            ขั้วบวกหรือแคโทดของแบตเตอรี่แบบลิเทียมไอออนทำจากสารประกอบที่มีลิเทียม ไม่ว่าจะเป็น Lithium Cobalt Oxide (LiCoO,) Lithium Manganese Oxide (LiMn,O ) Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄) โดยแต่ละชนิด จะให้สมบัติของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่แตกต่างกัน

            ขั้วลบหรือแอโนดของแบตเตอรี่ ทำจากแกรไฟต์ซึ่งเป็นผลึกของธาตุคาร์บอน ส่วนอิเล็กโทรไลต์เป็นสารละลายอินทรีย์ที่มีส่วนผสมของเกลือลิเทียม

            สำหรับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่เป็นที่นิยมมากที่สุดที่ใช้ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ แท็บเล็ต และโน้ตบุ๊ก คอมพิวเตอร์ คือแบบที่แคโทดทำจาก Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂) ซึ่งจะมีปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเวลามีการจ่ายกระแสไฟฟ้าและการชาร์จดังนี้ (ให้ x เป็นจำนวนโมล)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้นิยมใช้ในอุปกรณ์พกพาต่าง ๆ เช่นโทรศัพท์เคลื่อนที่ แท็บเล็ต และโน้ตบุ๊ก คอมพิวเตอร์ รวมทั้งในรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้า รถยนต์ประเภทไฮบริดการจัดการกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ใช้แล้ว สามารถทิ้งรวมกับขยะทั่วไปได้ แต่เนื่องจากสารต่าง ๆ ในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ถ้ามีจุดรวบรวมแบตเตอรี่ที่ใช้แล้วเพื่อนำไปรึไซเคิล ในบริเวณพื้นที่ใกล้เคียงให้นำแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนไปทิ้งที่จุดรับทิ้ง

รูปที่ 3 ตัวอย่างแบตเตอรี่แบบลีเทียมไอออน (Li-ion)

            แบตเตอรี่แบบนิกเกิล (nickel-based battery) ขั้วบวกหรือแคโทดของแบตเตอรี่นิกเกิลทำจากสารประกอบของนิกเกิล (III) ซึ่งส่วนใหญ่ได้แก่ นิกเกิลออกไซด์ไฮดรอกซด์ (NiO(OH)) เคลือบอยู่บนโลหะนิกเกิล ในขณะที่ขั้วลบหรือแอโนด ทำจากสารเคมีที่แตกต่างกัน เช่น แบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียม (NiCd หรือ Ni-Cd) ใช้โลหะแคดเมียมเป็นแอโนด ส่วนแบตเตอรี่นิกเกิลเมทัลไฮไดร์ (NIMH หรือ Ni-MH) ใช้โลหะผสม หรือ อัลลอย (alloy) ที่มีสมบัติดูดซับไฮโดรเจนเป็นแอโนดส่วนอิเล็กโทรไลต์เป็นสารแอลคาไลน์ ซึ่งส่วนใหญ่คือ โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อมีการจ่ายกระแไฟฟ้าและการชาร์จ เป็นดังนี้ (ให้ x เป็นจำนวนโมล)

            แบตเตอรี่ชนิดนี้นิยมใช้ในอุปกรณ์พกพาต่าง ๆ เช่น เครื่องคิดเลข กล้องถ่ายรูป เลเซอร์ชนิดไร้สาย การจัดการกับแบตเตอรี่นิกเกิลที่ใช้แล้ว ควรแยกเป็นขยะที่เป็นพิษ เนื่องจาก แคดเมียมเป็นโลหะหนักที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต จากนั้นให้นำไปทิ้งในจุดรับทิ้งของหน่วยงานห้างร้าน หรือ จุดรวบรวมแบตเตอรี่ที่ใช้แล้ว เพื่อให้ผู้ที่เกี่ยวข้องได้ดำเนินการกำจัดอย่างถูกวิธีต่อไป

รูปที่ 4 ตัวอย่างแบตเตอรี่แบบนิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ (NiIMH)

            ในตอนที่ 3 ของบทความ "แบตเตอรี่อุปกรณ์ให้พลังงานแห่งอนาคต" จะกล่าวถึงแนวทางการใช้แบตเตอรี่ให้มีประสิทธิภาพและปลอดภัยรวมทั้งการพิจารณาสาเหตุการระเบิดของแบตเตอรี่ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ หรือ เครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ และแนวทางการป้องกัน

รูปที่ 5  ตัวอย่างแบตเตอรี่บวม

ที่มา http://www.whatphone.net/wp-content/uploads/2014/06/1280px-expanded_lithium-ion_polymer_battery_from_a_apple_iphone_3gs.jpg

            บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://magazine.ipst.ac.th/

บรรณานูกรม

Buchman, I. (2015). Battery University. Retrieved December 4, 2016, from http://batteryuniversity.com.

Rechargeable Battery Recycling Corporation & National Geographic Society. Battery Lesson Plan. Retrieved December 4, 2016, from http://www.panasonic.com/environmental/rbrc._lesson_plan.pdf.สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคนโลยี. (2556). หนังสือเรียน รายวิชาเพิ่มเติม เคมี เล่ม 4 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 4 - 6.กรุงเทพฯ: โรงพิมพ์องค์การค้าของ สกสค.