แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4

   แบตเตอรี่ LiFePO4 เป็นแบตเตอรี่ชนิด Lithium-Ion ที่ค้นคิดขึ้นมาใหม่ โดยเป็นการรวมข้อดีของแบตฯ Li-Po กับ แบตฯ A123 เข้าด้วยกัน

ภาพของเซลล์แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4

   LiFePO4 ย่อมาจาก Lithium Iron Phosphate นั้นจะยึดโครงสร้างทางเคมีเช่นเดียวกับแบต Li-Po (Lithium Polymer) ทั่วไป แต่ว่ามีการเปลี่ยนวัสดุที่ใช้จาก Cobalt Dioxide ที่เป็นก๊าซมาเป็นโลหะที่ทนทานมากขึ้น การที่ LiFePO4 เปลี่ยนวัสดุจาก Lithium Cobalt Dioxide (LiCoO2) มาเป็นโลหะทำให้ปลอดจากปฎิกริยาเคมีที่ทำให้เกิดความร้อนในแบตฯ Li-Po ทั่วไป มีผลทำให้ LiFePO4 ไม่สามารถติดไฟหรือเกิดการเผาไม้เหมือนกับ Li-Po แม้จะถูกใช้งานอย่างสุดขีด หรือเกินขอบเขตที่แบต Li-Po ทั่วไปจะสามารถรับได้ ในขณะเดียวกันตัว LiFePO4 ยังมีการขับพลังงานที่สูงกว่า (higher discharge rate) และไม่เป็นพิษ (nontoxic) แถมยังมีอายุการใช้งานที่มากกว่าแบต Li-Po ทั่วไปหลายเท่า

   LiFePO4 ถูกคิดค้นโดย Mr. John Goodenough ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัย เท๊กซัลในปี 1996 เพราะคุณสมบัติพิเศษของวัสดุใหม่นี้ ทำให้ LifePO4 มีต้นทุนที่ถูกลง, ไม่เกิดพิษภัย, มีความทนทานมากขึ้น, มีการควบคุมอุณหภูมิที่ดีขึ้น, มีความปลอดภัยมากขึ้น, นำไฟได้ดีขึ้นและสามารถบรรจุ mAh ได้มาขึ้นอีกด้วย ถ้าเทียบกับ Li-Po ทั่วไป

จุดเด่นของ LiFePO4

   ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ได้เป็นอย่างดี ไม่ทำให้เกิดความร้อนมาก หรือถ้าเกิดความร้อนมากก็ไม่มีผลทำให้ตัวแบตมีการเปลี่ยนรูปร่างหรือเปลี่ยน สถานะของตัวเอง มีอายุการใช้งานต่อรอบมากขึ้น (Life Cycle) และมีอายุยาวขึ้น (Calendar Life)

   กระแสไฟจ่ายได้สูงมากขึ้นและการจ่ายกระแสสูงชั่วขณะได้มากขึ้น (Peak-power rating) และ การใช้ Iron & Phosphate ทำให้ไม่มีผลเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมเพราะ เป็นสารที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมอยู่แล้ว ไม่เหมือน Cobalt ที่จะทำลายสิ่งแวดล้อมในระยะยาว การพัฒนาอย่างต่อเนื่องโรงงานผลิตทั่วโลกพยายามทำให้ LiFePO4 มีค่าบรรจุที่สูงขึ้นและขนาดที่เล็กลงและเบาขึ้น

ข้อเปรียบเทียบ Li-Po & LiFePO4

   LiFePO4 เกิดจากาการใช้สารที่มีโครงสร้างทางโมเลกุลทนทานกว่าของ Li-Po ทั่วไปทำให้เวลาที่เกิดการใช้งานที่ผิดแปลกจากปกติ เช่นการลัดวงจร หรือการใช้ในสภาวะที่เกิดความร้อนสูง ตัวโมเลกุลที่แข็งแรงของ LiFePO4 ทำให้อนูของออกซิเจนไม่แยกตัวออก ทำให้ไม่บวมเหมือน Li-Po ที่ใช้โครงสร้างสาร CoO2.

   ในวงการอุตสาหกรรมทั่วไปตัว LifePO4 ได้รับความนิยมอย่างสูง เพราะข้อได้เปรียบและจุดเด่นที่เหนือกว่า Li-Po โดยเฉพาะเรื่องความปลอดภัยจากการรั่วของก๊าซและเพลิงไหม้ ทำให้ LiFePO4 ได้ถูกยอมรับในวงการต่างๆมากยิ่งขึ้น สำหรับในวงการ Hobby RC เองก็เริ่มได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆเพราะตัว LiFePO4 สามารถ Charge ได้ไว้กว่าและมากครั้งกว่า และไม่มีโอกาสติดไฟได้อย่าง Li-Po ทั่วไป ทั้งยังแข็งแรงกว่าด้วย

นวัตกรรมแบตเตอร์รี่ตระกูลลิเทียมไอออน แบตเตอร์รี่ LiFePo4 ชาร์จได้เร็วกว่าประสิทธิภาพเหนือกว่า !!

     เป็นที่ประจักษ์แล้วว่าแบตเตอร์รี่ไอออน Li-ion (polymer) และ แบตเตอร์รี่ ลิเทียมโคบอลล์ออกไซด์ (LiCoO2) มีการใช้งานอย่างมากในอุตสาหกรรมอิเลกทรอนิกส์  แต่แบตเตอร์รี่ลิเทียมโคบอลล์ออกไซด์ (LiCoO2) ราคาแพงมาก และไม่ปลอดภัยเมื่อมันมีความจุสูงขึ้น แบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4) เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในปัจจุบันนี้ ตลาดแบตเตอร์รี่ตระกูลลิเทียมไอออนมีความนิยมเนื่องจากมีความจุสูงและสามารถ นำไปใช้งานได้หลากหลาย เช่น คอมพิวเตอร์แลบทอป เครื่องมือกล รถวีลแชร์ไฟฟ้า รถจักรยานไฟฟ้า รถไฟฟ้า แม้นแต่รถบัสไฟฟ้า แบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4) มีความปลอดภัยเทียบเท่าแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด แต่ความแรงเทียบเท่าแบตแบบตระกูลลิเทียมไอออน ข้อดีของลิเทียมไอออน Li-ion (polymer) ที่เป็นชนิดลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4)คือ

1. ชาร์จไว

   ในระหว่างกระบวนการชาร์จแบตเตอร์รี่ Li-ion แบบดั้งเดิมประกอบด้วย ลิเทียมโคบอลต์ออกไซต์(LiCoO2) ต้องการชาร์จสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก คือการใช้กระแสคงที่ (Constant Current:CC) เพื่อให้ถึง 60% ของจุดชาร์จ (Stage of Charge:SOC) ขั้นตอนที่สอง เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไปถึง 4.2V เป็นขีดจำกัดบนแรงดันของการชาร์จ ก็จะเริ่มชาร์จที่แรงดันคงที่จนกว่ากระแสจะลดลงเรื่อยๆ ในขั้นตอนที่  (60%SOC) ใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง และในขั้นตอนที่ 2 (40%SOC) ใช้เวลาอีกประมาณ 2 ชั่วโมง แต่แบตเตอร์รี่ LiFePo4 สามารถใช้แค่ 1 ขั้นตอน เมื่อ CC ไปถึง 95% ของ SOC หรืออาจชาร์จทั้ง CC+CV เพื่อให้ถึง 100%SOC เวลาทั้งหมดประมาณสองชั่วโมง

กราฟแสดงความสัมพัธ์ระหว่างแรงดันและกระแสในการชาร์จ

 

2. มีการเผื่อต่อการชาร์จมากไป (over charge) สูง และสมรรถนะที่ปลอดภัยกว่า

   แบตเตอร์รี่ LiCoO2 มีการเผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จแคบมาก ประมาณ 0.1V ที่แรงดันชาร์จ 4.2V และต้องพิจารณาขีดจำกัดควบคุมบนของการชาร์จแรงดันด้วย ถ้าชาร์จเกิด 4.3V อาจทำให้แบตเตอร์รี่ประสิทธิภาพตกได้และอาจเป็นเหตุให้ไฟไหม้และระเบิดได้ แบตเตอร์รี่ LiFePO4 มีการผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จกว้างมากกว่าเป็น 0.7V ที่แรงดันชาร์จเป็น 3.4V

   ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีวัดจาก DSC หลังจากโอเวอร์ชาร์จเป็น 90J/g สำหรับ LiFePO4 และ 1600J/g for LiCoO2 ยิ่งมีการคายความร้อนมากเท่าไร จะเกิดพลังงานจะสะสมในแบตเตอร์รี่ในทางสิ้นเปลืองและอาจทำให้ไฟไหม้และ ระเบิดได้ แต่แบตเตอร์รี่ LiFePo4 สามารถโอเวอร์ชาร์จได้ถึง 30V โดยไม่ต้องมีวงจรป้องกัน เหมาะสมกับการใช้งานที่กระแสสูงๆ ความจุสูงๆ ในรูปแสดงถึงความปลอดภัยและความทนต่อการโอเวอร์ชาร์จของแบตเตอร์รี่ LiFePO4 กราฟมีลักษณะคล้ายการตอบสนองของแบตเตอร์รี่ตะกั่วกรด

กราฟเปรียบเทียบ แบตเตอร์รี่ LiFePo4 และแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด

 

3. สมดุลด้วยตัวเอง

   เซลล์ของ LiFePO4 จะถูกต่ออนุกรมและจัดให้สมดุลระหว่างกระบวนการชาร์จ เนื่องจากมีความเผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จสูง นี่คือข้อแตกต่างจากแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด คุณลักษณะการสมดุลย์ตัวเองสามารถยอมให้ความแตกต่างระหว่างเซลสำหรับทั้งแรง ดันและความจุของแบตเตอร์รี่ไม่เกิน 10% ดังรูปด้านล่าง

กราฟแสดงการสมดุลย์แรงดันแต่ละเซลให้แตกต่างไม่เกิน 10%

 

4. ระบบจัดการแบตเตอร์รี่ (Battery Management System) และ แบตเตอร์รี่ชาร์จเจอร์ง่ายกว่า  

   การเผื่อโอเวอร์ชาร์จและชุดสมดุลของแบตเตอร์รี่ LiFePo4 ส่วนมากจะมีชุดป้องกันแบตเตอร์รี่และวงจรที่มีราคาไม่แพง ใช้การชาร์จเพียงหนึ่งขั้นตอน อาจใช้แหล่งจ่ายไฟแบบทั่วไปเพื่อชาร์จแบตเตอร์รี่ LiFePO4 แทนที่จะเป็นชาร์จเจอร์แบบ Li-ion

5. อายุการใช้งานที่ยืนยาว

   เมื่อเปรียบเทียบอายุการใช้งานของแบตเตอร์รี่ LiCoO2 มีอายุการชาร์จเพียง 400 ครั้ง แต่แบตเตอร์รี่ LiFePO4 อายุการชาร์จถึง 2000 ครั้ง

6. สมรรถนะอุณหภูมิสูง

   ข้อเสียของการแบตเตอร์รี่ LiCoO2  คือประสิทธิภาพจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจนถึง 60C แบตเตอร์รี่ LiFePO4 ทำงานได้ดีกว่า ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากการนำความร้อนของลิเทียมไอออนนิกที่สูงกว่า

ตารางเปรียบเทียบแบตเตอร์รี่ชนิดต่างๆ

ขอขอบคุณและอ้างอิงแหล่งที่มา : http://blog.ebikr.com

Here’s a list of all the advantages of LiFePO4 batteries:

Safe technology — will not catch fire or explode with overcharge
Over 2000 discharge cycles life compared to typically around 300 for lead acid
Double the usable capacity of similar amp hour lead acid batteries
Virtually flat discharge curve means maximum power available until fully discharged (no “voltage sag” as with lead acid batteries)
High discharge rate capability, 10C continuous, 20C pulse discharge
Unlike lead acid batteries, can be left in a partially discharged state for extended periods without causing permanent damage
Extremely low self discharge rate (unlike lead acid which will go flat quite quickly if left sitting for long periods)
Does not suffer from “thermal runaway”
Can be used safely in high ambient temperatures of up to 60C without any degradation in performance
Maintenance free for the life of the battery
Can be operated in any orientation
Does not contain any toxic heavy metals such as lead, cadmium, nor any corrosive acids or alkalies thus making LiFePO4 batteries the most environmentally friendly battery chemistry available
LiFePO4 cells are of solid construction — there are no fragile/brittle plates made of lead which can be prone to failure over time as a result of vibration
Can be safely rapidly recharged — when fully discharged can be brought to a state of over 90% fully charged in 15 minutes 

ข้อมูลอ้างอิง Wikipedia, www.lifepo4.us