ทฤษฎีการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม

ทฤษฎีการชาร์จและการคายประจุแบตเตอรี่ลิเธียม

1.1 สถานะการชาร์จ (SOC)

สถานะการชาร์จสามารถกำหนดเป็นสถานะของพลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่ในแบตเตอรี่ ซึ่งโดยปกติจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับกระแสไฟฟ้าที่ชาร์จและการคายประจุ อุณหภูมิ และปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพ คำจำกัดความของสถานะของประจุจึงถูกแบ่งออกเป็นสองประเภท: สถานะประจุสัมบูรณ์ (ASOC) และสถานะประจุสัมพันธ์ (RSOC) ช่วงของสถานะการชาร์จโดยทั่วไปคือ 0% -100% ในขณะที่แบตเตอรี่อยู่ที่ 100% เมื่อชาร์จเต็ม และ 0% เมื่อคายประจุจนหมด สถานะการชาร์จสัมบูรณ์คือค่าอ้างอิงที่คำนวณตามค่าความจุคงที่ที่ออกแบบไว้เมื่อผลิตแบตเตอรี่ สถานะการชาร์จที่สมบูรณ์ของแบตเตอรี่ใหม่ที่ชาร์จเต็มแล้วคือ 100%; แม้ว่าแบตเตอรี่เก่าจะชาร์จจนเต็มแล้ว แต่ก็ไม่สามารถเข้าถึง 100% ได้ภายใต้สภาวะการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกัน

รูปต่อไปนี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและความจุของแบตเตอรี่ภายใต้อัตราการคายประจุที่ต่างกัน ยิ่งอัตราการคายประจุสูง ความจุของแบตเตอรี่ก็จะยิ่งลดลง เมื่ออุณหภูมิต่ำ ความจุของแบตเตอรี่จะลดลงด้วย

                          รูปที่ 1 ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและความจุภายใต้อัตราการคายประจุและอุณหภูมิที่แตกต่างกัน

1.2 แรงดันการชาร์จสูงสุด

แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จสูงสุดนั้นสัมพันธ์กับองค์ประกอบทางเคมีและคุณลักษณะของแบตเตอรี่ แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมมักจะอยู่ที่ 4.2V และ 4.35V และค่าแรงดันไฟฟ้าอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัสดุแคโทดและแอโนด

1.3 ชาร์จเต็มแล้ว

เมื่อความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จสูงสุดน้อยกว่า 100mV และกระแสไฟในการชาร์จลดลงเหลือ C/10 ถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว คุณลักษณะของแบตเตอรี่จะแตกต่างกันไป และเงื่อนไขในการชาร์จจนเสร็จสมบูรณ์จะแตกต่างกันไปด้วย

รูปภาพต่อไปนี้แสดงเส้นโค้งลักษณะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เท่ากับแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จสูงสุด และกระแสไฟในการชาร์จลดลงเป็น C/10 ถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว

                             รูปที่ 2 เส้นโค้งลักษณะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม

1.4 แรงดันไฟฟ้าคายประจุขั้นต่ำ

แรงดันไฟฟ้าคายประจุขั้นต่ำสามารถกำหนดได้ว่าเป็นแรงดันคายประจุแบบตัด โดยปกติจะเป็นแรงดันไฟฟ้าที่สถานะประจุ 0% ค่าแรงดันไฟฟ้านี้ไม่ใช่ค่าคงที่ แต่เปลี่ยนแปลงไปตามโหลด อุณหภูมิ ระดับการเสื่อมสภาพ หรือปัจจัยอื่นๆ

1.5 การคายประจุเต็ม

เมื่อแรงดันแบตเตอรี่น้อยกว่าหรือเท่ากับแรงดันคายประจุขั้นต่ำ เรียกได้ว่าคายประจุจนหมด

1.6 อัตราการปล่อยประจุ (C-Rate)

อัตราการคายประจุคือการแสดงกระแสประจุที่คายประจุโดยสัมพันธ์กับความจุของแบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่น หากใช้อุณหภูมิ 1C เพื่อคายประจุเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง ตามหลักการแล้ว แบตเตอรี่จะคายประจุจนหมด อัตราการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกันจะส่งผลให้ความจุที่มีอยู่แตกต่างกัน โดยปกติแล้ว ยิ่งอัตราการคายประจุสูงเท่าใด ความจุที่มีอยู่ก็จะน้อยลงเท่านั้น

1.7 วงจรชีวิต

จำนวนรอบคือจำนวนครั้งที่แบตเตอรี่ได้รับการชาร์จและการคายประจุจนเสร็จสมบูรณ์ ซึ่งสามารถประมาณได้จากความสามารถในการคายประจุจริงและความสามารถในการออกแบบ เมื่อใดก็ตามที่ความสามารถในการคายประจุสะสมเท่ากับความสามารถในการออกแบบ จำนวนรอบจะเป็นหนึ่ง โดยปกติ หลังจากชาร์จและคายประจุครบ 500 รอบ ความจุของแบตเตอรี่ที่ชาร์จจนเต็มจะลดลง 10% ถึง 20%

                          รูปที่ 3 ความสัมพันธ์ระหว่างรอบเวลาและความจุของแบตเตอรี่

1.8 การปลดปล่อยตัวเอง

การคายประจุแบตเตอรี่เองทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น การคายประจุเองนั้นโดยพื้นฐานแล้วไม่ใช่ข้อบกพร่องจากการผลิต แต่เป็นลักษณะของแบตเตอรี่เอง อย่างไรก็ตาม การจัดการที่ไม่เหมาะสมในระหว่างกระบวนการผลิตยังอาจส่งผลให้มีการปล่อยสารออกเองเพิ่มขึ้นอีกด้วย โดยปกติแล้ว อุณหภูมิแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 10 ° C อัตราการคายประจุเองจะเพิ่มเป็นสองเท่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีความสามารถในการคายประจุเองต่อเดือนประมาณ 1-2% ในขณะที่แบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลหลายชนิดมีความสามารถในการคายประจุเองต่อเดือนที่ 10-15%

                             รูปที่ 4 ประสิทธิภาพของอัตราการคายประจุเองของแบตเตอรี่ลิเธียมที่อุณหภูมิต่างๆ