แผ่นธาตุแบตเตอรี่ บวก ทําจาก

ทุกคนย่อมทราบและรู้จักกันดีว่าแบตเตอรี่รถยนต์ทำงานกันอย่างไร ก็คือ แบตเตอรี่เป็นแหล่งเก็บไฟสำรองสำหรับสตาร์ทเครื่องยนต์ และจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ต่างๆ ในรถยนต์ ใช้ๆ ไปไฟก็ถูกดึงจ่ายออกไปเรื่อยๆ ถ้าไฟหมดก็นำไปชาร์จไฟกลับมาใช้ใหม่ นี่คือเรื่องทั่วๆ ไปง่ายๆ ใช่ไหมละ แล้วถ้าเจาะลึกกันถึงหลักการทำงานจริงๆ ของมัน จ่ายไฟยังไง แล้วไฟหมดได้ไง บทความนี้เรามาเจาะลึกเพื่อจะได้เข้าใจเจ้าแบตเตอรี่ลูกนี้ของเราให้มากขึ้นกันดีกว่า นั้นคือว่ากันถึงเรื่องปฏิกิริยาทางเคมีของแบตเตอรี่

ก่อนพูดกันถึงหลักการทำงานในกระบวนการทางเคมีของแบตเตอรี่ เรามารู้ก่อนว่าสูตรทางเคมีของส่วนต่างๆ เป็นอย่างไรบ้าง ดังนี้

• แผ่นธาตุบวก (+) มีสูตรทางเคมีเป็น PbO2
• แผ่นธาตุลบ (-) มีสูตรทางเคมีเป็น Pb
• น้ำกรดกำมะถันที่ใช้กันในแบตเตอรี่ มีสูตรทางเคมีเป็น H2SO4

เมื่อแบตเตอรี่ต่อกับวงจรภายนอกจะเกิดการจ่ายกระแสไฟที่เกิดจากการทำปฏิกิริยาเคมีระหว่าง กรดกำมะถัน(H2SO4), แผ่นธาตุบวก(PbO2) และแผ่นธาตุลบ(Pb) โดยขณะที่จ่ายกระแสไฟออก ออกซิเจนในแผ่นธาตุ+ (PbO2) จะรวมตัวกับไฮโตรเจนในกรดกำมะถัน (H2SO4) เกิดเป็นน้ำ (H2O) ในขณะเดียวกับ Pb ใน PbO2 รวมตัวกับอนุมูลซัลเฟต(SO4) ใน H2SO4 เกิดเป็นสารประกอบชนิดใหม่คือ ตะกั่วซัลเฟต (PbSO4) ในขณะเดียวกันตะกั่วพรุน (Pb) ในแผ่นธาตุ- ก็จะรวมตัวกับอนุมูลซัลเฟต(SO4) ใน H2SO4 และเกิดตะกั่วซัลเฟต (PbSO4) เช่นเดียวกัน

ที่กล่าวมาข้างต้นพอสรุปได้ว่า ขณะที่แบตเตอรี่จ่ายไฟออกจะเกิดตะกั่วซัลเฟต (PbSO4) ขึ้นทั้งแผ่นธาตุบวกและแผ่นธาตุลบ โดยกรดกำมะถัน (H2SO4) จะถูกใช้ไปเกิดเป็นน้ำ (H2O) ขึ้นมา ถ้าจ่ายกระแสไฟต่อไปเรื่อยๆ กรด H2SO4 ก็จะเจือจางลงไปเรื่อยๆ และเมื่อเกิดปฏิกิริยาต่อเนื่องไปเรื่อยๆ แผ่นธาตุก็จะถูกเปลี่ยนเป็น PbSO4 (ตะกั่วซัลเฟต) แบตเตอรี่ก็จะไม่สามารถจ่ายไฟได้ต่อไป ต้องนำไปอัดชาร์จไฟใหม่ การอัดชาร์จไฟจะเป็นปฏิกิริยาย้อนกลับกับการจ่ายไฟออก โดยตะกั่วซัลเฟต (PbSO4) ที่เกิดมาตอนปฏิกิริยาจ่ายไฟออก จะถูกแตกตัวเป็นอนุมูลของ Pb และ SO4(ซัลเฟต) ในขณะเดียวกันน้ำ(H2O) ก็จะถูกแยกตัวออกเป็นไฮโดรเจน(H2) และออกซิเจน(O2) อนุมูลซัลเฟต(SO4) จะรวมตัวกับไฮโดรเจน(H2) กลายเป็นกรดกำมะถัน(H2SO4) ในขณะเดียวกันออกซิเจน(O2) จะรวมตัวกับตะกั่ว(Pb) กลายเป็น PbO2 ที่แผ่นธาตุบวก(+)

นี่เป็นลักษณะการทำงานสำคัญของแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรด ซึ่งคงพอทำให้เข้าใจได้มากขึ้นว่าคำที่ว่าแบตไฟหมดมีลักษณะยังไงเกิดจากอะไร ทำไมต้องอัดไฟ เมื่อเรารู้หลักการของมันเราก็จะเข้าใจมันได้ดียิ่งขึ้น ช่วยลดความสงสัยลงได้

แบตเตอรี่ ตะกั่วกรด นั้นได้มีการเริ่มใช้งาน มาตั้งแต่เมื่อ ค.ศ 1859 และ ได้มีการพัฒนาประสิทธิภาพ อย่างต่อเนื่อง ตลอดระยะเวลา 160 ปี ที่ผ่านมา  แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ยังคงมีการใช้งานต่อเนื่องไปอีกมากกว่า 50 ปี เป็นอย่างน้อย เนื่องจาก แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ยังคงเป็นแบตเตอรี่ชนิดเดียวที่สามารถรีไซเคิล ได้มากกว่า 95%  โดยมีต้นทุนการผลิตถูกที่สุดในปัจจุบัน

ถ้าเราจะเข้าใจวิวัฒนาการของแบตเตอรี่ ตะกั่วกรด  เราต้องเริ่มจากทำความเข้าใจในองค์ประกอบหลัก ๆ ของแบตเตอรี่ ตะกั่วกรด กันก่อน โดย แบตเตอรี่ ตะกั่วกรดนั้นมีองค์ประกอบสำคัญ อยู่ 3 ส่วน หลัก ๆ ได้แก่

1. แผ่นธาตุ (Plate)  ซึ่งประกอบด้วย แผ่นธาตุบวก (Lead Oxide )และ แผ่นธาตุลบ (Lead )
2. แผ่นกั้น  (Separator) เป็นแผ่นฉนวนป้องกันระหว่างแผ่นธาตุบวก และ ลบ มาชนกัน
3. น้ำกรดกำมะถัน (Electrolyte) เป็นสารที่ช่วยให้เกิดปฏิกิริยาเคมี ระหว่าง แผ่นธาตุบวก และ แผ่นธาตุลบ  ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า

ซี่งวิวัฒนาการของแบตเตอรี่ตะกั่วกรดตลอดระยะเวลา 160 ปี ก็มีการพัฒนาใน 3 ส่วนหลัก ๆ นี้ เพื่อทำให้ได้แบตเตอรี่ตะกั่วกรดไว้ใช้งานในอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้แก่ รถยนต์  , ระบบไฟฟ้าสำรอง , รถไฟฟ้า , ระบบโทรคมนาคม , รถไฟ , เรือดำน้ำ และ อื่น ๆ มากมาย ที่อยู่ในชีวิตประจำวันของเรา

สำหรับอุตสาหกรรมรถยนต์นั้น เรามีการใช้แบตเตอรี่ตะกั่วกรด โดยมีวัตถุประสงค์หลัก เพื่อสตาร์ทเครื่องยนต์   ซึ่งมีวิวัฒนาการ เป็นลำดับดังนี้

ยุคแรกเริ่ม ของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด

ยุคแรกเริ่ม แบตเตอรี่ตะกั่วกรด เป็นแบตเตอรี่ประเภทเติมน้ำกรด ก่อนใช้งาน ( Conventional Battery )  แบตเตอรี่ประเภทนี้ จะมีการใช้แผ่นธาตุ (Plate)   ที่ใช้โครงแผ่นธาตุ (Grid ) ผลิตจากโลหะผสม ที่ได้จาก ตะกั่ว (Lead ) + แร่พลวง (Antimony) + ดีบุก (Tin) ทั้งแผ่นธาตุบวก และ ลบ  แบตเตอรี่ชนิดนี้แผ่นธาตุจะผลิตจากกระบวนการหล่อในแม่พิมพ์ (Casting) ทำให้ได้แผ่นธาตุที่มีความหนา และ มีน้ำหนักมาก 

โดยมีข้อเสีย คือ เมื่อเวลาใช้งาน จะเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ที่ทำแบตเตอรี่เกิดการความร้อน (Thermal Run Aways) ได้ง่าย  และ มีการสูญเสียไอน้ำกรด (Gassing )  มาก ทำให้เวลาใช้งาน แบตเตอรี่จะต้องการเติมน้ำกลั่นบ่อยครั้งเช่นทุก ๆ เดือน หรือ ทุกๆ สัปดาห์  ขึ้นอยู่กับการใช้งาน  และ ยังเป็นต้นเหตุทำให้เกิดการกัดกร่อนของรถยนต์ เนื่องจากน้ำกรดล้น และ ระเหยออกมากัดกร่อนตัวถังรถยนต์จนเป็นสนิม

ยุคของแบตเตอรี่ Low Maintenance

ต่อมาเมื่อผู้ใช้งาน มีความต้องการแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพที่ดีมากขึ้น และ ลดการสูญเสียไอน้ำกรด  จึงมีการพัฒนากระบวนการผลิตแผ่นธาตุ และ ปรับปรุงส่วนผสมของโลหะที่ใช้ทำโครงแผ่นธาตุ ลดการใช้พลวงลง เรียกโครงแผ่นธาตุแบบนี้ว่า Low Antimony Grid   ทำให้ได้แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ที่มีการสูญเสียไอน้ำกรดระหว่างใช้งานน้อยลง  ผู้ผลิตแบตเตอรี่จึงเรียกแบตเตอรี่ประเภทนี้ว่า  Low Maintenance Battery (แบตเตอรี่ บำรุงรักษาน้อย)

ข้อดีของ Low Maintenance Battery

• แบตเตอรี่เกิดความร้อนน้อยลง (ลดปัญหา Thermal Run Away)
• แบตเตอรี่สูญเสียไอน้ำน้อยลง (ลดการเกิด Gassing)
• ทำให้ยืดระยะเวลาในการเติมน้ำกลั่นได้นานขึ้น

ยุคของแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid Battery)

และยุคต่อมา ผู้ผลิตแบตเตอรี่มีความต้องการในการพัฒนากระบวนการผลิตให้เร็วมากยิ่งขึ้น และผู้ขายไม่ต้องการเติมน้ำกรดและชาร์จก่อนขาย  ทำให้เกิดการพัฒนาแบตเตอรี่ โดยการใช้โครงแผ่นธาตุบวก แบบ Low Antimony  และโครงแผ่นธาตุลบที่ใช้แร่แคลเซียม(Lead Calcium Alloy)  เป็นส่วนผสมแทนแร่พลวง ผลที่ได้คือ แบตเตอรี่ชนิดไฮบริด (Hybrid Battery)

ข้อดีของแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid Battery)

• แบตเตอรี่มีเก็บประจุไฟฟ้าได้นานขึ้น (Low Self Discharge )
• แบตเตอรี่สูญเสียไอน้ำน้อยลง (ลดการเกิด Gassing)
• แบตเตอรี่เกิดความร้อนน้อยลง (ลดการเกิด Thermal Run Away)
• ผู้ผลิตสามารถเติมน้ำกรดจากโรงงาน ได้เลย ผู้ขายจึงไม่ต้องเติมน้ำกรดและชาร์จก่อนการขาย

ยุคของแบตเตอรี่ SMF (Seal Maintenance Free Battery)

ต่อมาผู้ผลิตแบตเตอรี่ต้องการผลิตแบตเตอรี่ให้มีประสิทธิภาพสูงมากขึ้น และ เร็วมากยิ่งขึ้น จึงได้ทำให้อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ได้พัฒนากระบวนการผลิตโครงแผ่นธาตุแบบใหม่ โดย

• เปลี่ยนกระบวนการผลิตจากการหล่อ เป็นการรีดแผ่น  (Expansion Grid)
• เปลี่ยนส่วนผสมของโลหะจากพลวงเป็น แคลเซียม และ ดีบุก  (Lead Calcium Tin  Alloy) ทั้งโครงแผ่นธาตุบวก และ ลบ

ผลที่เกิดขึ้นจากกระบวนการพัฒนานี้ ทำให้ได้แบตเตอรี่ ที่มีคุณสมบัติ

• สูญเสียไอน้ำกรดน้อยมาก ( Ultra Low Gassing )
• เกิดความร้อนน้อยมาก ( Ultra Low Thermal Run Away)
• เก็บประจุไฟฟ้าได้นานมาก (Ultra Low Self Discharge)

จึงทำให้ผู้ผลิตแบตเตอรี่สามารถผลิตแบตเตอรี่ที่ไม่ต้องเติมน้ำกลั่นตลอดอายุการใช้งาน  โดยการออกแบบฝาแบตเตอรี่ แบบปิดสนิท ซึ่งเรียกว่า SMF Battery (Seal Maintenance Free Battery)

แต่ในปัจจุบันค่ายรถยนต์ต่างๆ มีการพัฒนารถยนต์ที่ลดการเกิดมลพิษจากไอเสียรถยนต์ ทำให้แบตเตอรี่จึงต้องมีการพัฒนาให้รองรับรถยนต์ ที่มีระบบไดชาร์จอัฉริยะ  (Alternator Management System) และระบบ ISS  (Intelligent Start Stop System)

สรุป

จากที่อธิบายมาทั้งหมดนี้ เป็นวิวัฒนาการของแบตเตอรี่ตะกั่วกรด โดยมุ่งไปที่การพัฒนาเพียงส่วนของโครงแผ่นธาตุ  เพียงอย่างเดียว ทำให้แบตเตอรี่พัฒนาจากยุคต้องเติมน้ำกรดและชาร์จก่อนใช้งาน (Conventional)  มาสู่ยุคแบตเตอรี่ไม่ต้องเติมน้ำกรด และ น้ำกลั่นตลอดอายุใช้งาน (SMF) 

โดยมีลำดับการพัฒนาในส่วนของการผลิตโครงแผ่นธาตุ และ ส่วนผสมโลหะ มาดังนี้ (Grid Alloy and Grid Processing improvement )

Conventional > Low Maintenance > Hybrid > SMF

แผ่นธาตุลบของแบตเตอรี่ทำมาจากวัสดุใด

แบตเตอรี่ทำจากอะไรบ้าง

น้ํายาอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ทำมาจากสารชนิดใด

ขั้วบวกของแบตเตอรี่ทำด้วยโลหะชนิดใด