Mar 9, 20211 min read

วิธีการฟื้นฟูสภาพ (Restore) แบตเตอรี่ที่ทำมาจากนิกเกิล

Updated: Jul 19, 2021

ในช่วงที่มีการค้นพบแบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม (NiCd) ในช่วงปี 1970-1980 การลดทอนประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นั้นเชื่อว่ามาจากปัญหา memory effect ของเซลล์แบตเตอรี่ ปัจจุบันยังคงมีการใช้คำว่า memory เพื่อโฆษณาแบตเตอรี่รุ่นใหม่ว่า "memory free" ไร้ปัญหาจาก memory effect ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่นิกเกิล - แคดเมียมสามารถจดจำปริมาณพลังงานที่ใช้ไปในการคายประจุครั้งก่อน ๆ และจะให้พลังงานในปริมาณเท่ากันเมื่อปล่อยประจุซ้ำ หากมีการเรียกร้องให้คายประจุมากขึ้นแรงดันไฟฟ้าจะลดลงทันทีราวกับว่าจะประท้วงการทำงานเกินกำหนดไว้

Memory เกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ NiCd ถูก overcharged อย่างต่อเนื่อง ปัญหานี้แก้ไขได้ด้วยการชาร์จแบตเตอรี่แบบ pulse charge (Reflex Charging, วิธีการชาร์จของเครื่องชาร์จและวิเคราะห์แบตเตอรี่ยี่ห้อ Christie) แต่แก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าด้วยการทำการคายประจุเต็มวงรอบ (full discharge cycle)

เซลล์นิกเกิล - แคดเมียมใหม่ ขั้ว Anode (แท่งตัวนำลบ) อยู่ในสภาพใหม่แบบนี้ ผลึกแคดเมียม - ไฮดรอกไซด์รูปทรงหกเหลี่ยมมีขนาดหน้าตัดประมาณ 1 ไมครอน พื้นที่ผิวขนาดใหญ่จุ่มอยู่ในอิเล็กโทรไลต์เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด

เซลล์ที่เกิดผลึก Crystalline ผลึกเติบโตมีขนาดหน้าตัด 50-100 ไมครอน ปกปิดพื้นผิวส่วนใหญ่ของ active material จากการเข้าถึงของอิเล็กโทรไลต์ ขอบหยักและมุมที่แหลมคมสามารถแทงทะลุตัวคั่น (Separator) ทำให้เกิดการคายประจุเองเพิ่มขึ้นหรือทำให้เกิดการชอร์ตของเซลล์

เซลล์ที่กู้คืนสภาพ หลังจากการชาร์จแบบ pulse charge ผลึกคริสตัลจะลดขนาดลงเหลือ 3-5 ไมครอนซึ่งถือเป็นการฟื้นฟูได้เกือบ 100% การทำการ recondition มีความจำเป็นหากการชาร์จแบบ pulse charge เพียงอย่างเดียวไม่ได้ผล

รูปที่ 1 : การเกิดผลึก crystalline บนเซลล์นิกเกิล-แคดเมียม ผลึก crystalline เกิดขึ้นหากแบตเตอรี่ถูก overcharged เป็นเวลาหลายเดือนและไม่ได้รับการดูแลรักษาด้วยการทำ deep discharge ตามระยะเวลา

แบตเตอรี่นิกเกิล - แคดเมียมที่ทันสมัยไม่มีปัญหาด้าน memory อีกต่อไป แต่มีปัญหาจากการก่อตัวของผลึก crystalline วัสดุแคดเมียมจะอยู่แผ่นขั้วลบและเมื่อเวลาผ่านไปการก่อตัวของผลึก crystalline จะพัฒนาขึ้นซึ่งจะลดพื้นที่ผิวและลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ เมื่อเกิดมากขึ้นขอบคมของผลึกสามารถทะลุผ่านตัวคั่นทำให้เกิดการคายประจุเองสูงซึ่งอาจทำให้เกิดการชอร์ตของเซลล์ได้

เมื่อเปิดตัวในช่วงต้นทศวรรษ 1990 นิกเกิล - เมทัล - ไฮไดรด์ (NiMH) ได้รับการยกย่องว่าปราศจาก memory effect แต่คำกล่าวอ้างนี้เป็นความจริงเพียงบางส่วนเท่านั้น NiMH มีปัญหาด้าน memory effect เหมือนกันแต่มีระดับน้อยกว่า NiCd ในขณะที่ NiMH มีเพียงแผ่นนิกเกิลที่ต้องกังวล

แต่ NiCd ยังมีแผ่นแคดเมียมเป็นตัวนำขั้วลบที่มีแนวโน้มเกิดปัญหา memory effect อีกตัวหนึ่งด้วย

นี่จึงเป็นคำอธิบายง่ายๆ ว่าเหตุใด NiMH จึงมีความอ่อนไหวในปัญหาเรื่อง memory effect น้อยกว่า NiCd

การก่อตัวของผลึก crystalline เกิดขึ้นหากแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลถูกปล่อยไว้ในเครื่องชาร์จเป็นเวลาหลายวันหรือมีการชาร์จซ้ำหลาย ๆ ครั้งโดยไม่มีการคายประจุจนหมด (full discharge) เป็นครั้งคราว เนื่องจากรูปแบบการใช้งานส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปแบบดังกล่าว ดังนั้นแบตเตอรี่ NiCd จึงต้องมีการคายประจุลงมาถึง 1V / เซลล์ เพื่อให้เกิดประสิทธิภาพในการใช้งานสูงสุด

วงรอบการคายประจุจนสุด / ชาร์จประจุเต็ม เป็นส่วนหนึ่งของการทำ maintenance หรือที่เรียกว่าการ exercise ซึ่งควรทำทุกๆ 1-3 เดือน แต่ต้องหลีกเลี่ยงการ exercise มากเกินไปเพราะจะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพลงโดยไม่จำเป็น หากไม่มีการทำ exercise เป็นประจำเป็นเวลาต่อเนื่องกัน 6 เดือนหรือนานกว่านั้น ผลึกจะฝังตัวเองและการฟื้นฟูด้วยการคายประจุลงมาที่ 1V / เซลล์นั้นอาจไม่ได้ผลเพียงพอ การฟื้นฟูนั้นมักจะทำได้ด้วยการทำการคายประจุของเซลล์ลงไปอีกที่เราเรียกขั้นตอนนี้ว่า การปรับสภาพ (recondition)

การปรับสภาพ คือ การคายประจุอย่างช้าๆ (ตั้งอัตราการคายประจุประมาณ 40% ของอัตราปกติ)

ซึ่งทำให้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ลดลงเหลือประมาณ 0.4V / เซลล์หรือต่ำกว่า

การทดสอบโดยกองทัพบกสหรัฐฯ ระบุว่าเซลล์ NiCd จำเป็นต้องถูกคายประจุออกอย่างต่ำเหลือ 0.6V เพื่อแตกแยกผลึก crystalline ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในระหว่างการคายประจุเพื่อการปรับสภาพนี้กระแสไฟฟ้าจะต้องอยู่ในระดับต่ำเพื่อลดโอกาสการกลับขั้วของเซลล์ (cell reversal) เนื่องจาก NiCd สามารถทนต่อการกลับขั้วของเซลล์ ได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้น รูปที่ 2 แสดงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ระหว่างการคายประจุไปที่ 1V / เซลล์ และตามด้วยการจ่ายประจุต่อไปอีกที่ 0.4V / เซลล์

รูปที่ 2: การ exercise และการปรับสภาพแบตเตอรี่โดยใช้เครื่องวิเคราะห์แบตเตอรี่

การปรับสภาพมีประสิทธิภาพสูงสุดในการฟื้นฟูแบตเตอรี่ที่ไม่ได้ exercise มาเป็นเวลานาน

แบตเตอรี่ที่ใช้ในอากาศยานขนาดกลางและขนาดใหญ่ ส่วนใหญ่เป็นแบตเตอรี่ NiCd แบตเตอรี่เหล่านี้ต้องได้รับการซ่อมบำรุงให้มีขีดความสามารถในการจ่ายกระแสไฟฟ้าในยามฉุกเฉินได้ตามเกณฑ์ที่กำหนด การซ่อมบำรุงจะทำการฟื้นฟูสภาพโดยการคายประจุลงมาต่ำกว่า 1V / เซลล์ จากนั้นก็ทำการ balance เซลล์ให้เท่ากันด้วยการทำการคายประจุของเซลล์จนหมดเหลือ 0 V ด้วยการชอร์ตเซลล์

แล้วทิ้งไว้ประมาณ 4-16 ชั่วโมง (ส่วนใหญ่ทิ้งไว้ข้ามคืน) ก่อนจะทำการชาร์จไฟจนเต็ม จากนั้นทำ capacity check เพื่อตรวจสอบขีดความสามารถ หากผ่านเกณฑ์แบตเตอรี่ก็จะถูกชาร์จเต็มก่อนนำไปติดตั้งกับอากาศยาน แต่หากไม่ผ่านเกณฑ์แบตเตอรี่ก็จะถูกทำการฟื้นฟูสภาพใหม่อีกประมาณ 2 รอบ