อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมในระบบพลังงานแสงอาทิตย์มีระยะเวลานานเท่าใด

เข้าใจอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม: อายุตามปฏิทิน อายุการใช้งานตามรอบชาร์จ และสมรรถนะจริงในสนาม

อายุตามปฏิทิน เทียบกับ อายุการใช้งานตามรอบชาร์จ: แต่ละตัวชี้วัดบอกอะไรเกี่ยวกับอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม

เมื่อพูดถึงอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม เรามักพิจารณาจากสองปัจจัยหลัก ได้แก่ อายุการเก็บ (calendar life) และอายุการชาร์จ-ปล่อยไฟฟ้า (cycle life) อายุการเก็บหมายถึงจำนวนปีที่แบตเตอรี่จะยังคงรักษากำลังไฟได้ดี แม้จะไม่ได้ใช้งานเลย จนกว่าความจุจะลดลงต่ำกว่า 80% ของค่าเริ่มต้น ซึ่งเกิดขึ้นส่วนใหญ่จากการเสื่อมสภาพของสารเคมีภายในที่ค่อยๆ แย่ลงตามเวลา ส่วนอายุการชาร์จ-ปล่อยไฟฟ้านั้นแตกต่างออกไป เพราะคำนวณจากจำนวนครั้งที่แบตเตอรี่ถูกชาร์จเต็มแล้วใช้จนหมด ก่อนที่ความจุจะลดลงถึงระดับ 80% เช่น แบตเตอรี่ที่ระบุว่ารองรับ 3,000 รอบ หากใช้งานวันละครั้ง อาจใช้งานได้นานประมาณสิบปี อย่างไรก็ตาม สภาพการใช้งานมีผลต่ออายุการใช้งาน เช่น แบตเตอรี่บางตัวเสื่อมเร็วกว่าเนื่องจากกระบวนการเสื่อมสภาพตามธรรมชาติ ในขณะที่บางตัวอาจคงอายุการใช้งานได้นานขึ้นหากไม่ได้ใช้งานบ่อย ไม่ว่ากรณีใด เมื่อถึงขีดจำกัดหนึ่งขีดจำกัดใด แบตเตอรี่จะถือว่าเข้าสู่จุดสิ้นสุดอายุการใช้งานอย่างเป็นทางการ

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม LFP เทียบกับ NMC: เหตุใดเคมีภัณฑ์จึงกำหนดอายุการใช้งาน 8–15 ปีขึ้นไป

เคมีภัณฑ์ของแบตเตอรี่มีบทบาทสำคัญโดยตรงต่ออายุการใช้งาน ความปลอดภัย และความเหมาะสมในการใช้งาน:

• LFP (LiFePO⁴) : ใช้โครงสร้างผลึกโอลิวีนที่มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง เพื่อให้อายุการใช้งาน 8–15 ปีขึ้นไป โดยมีจำนวนรอบการชาร์จ-ปล่อยตั้งแต่ 2,500 ถึง 9,000 รอบ ความทนทานต่ออุณหภูมิสูงและความสามารถในการทำงานที่สถานะประจุบางส่วน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์ โดยเน้นความน่าเชื่อถือในระยะยาวมากกว่าความหนาแน่นของพลังงาน
• NMC (Nickel Manganese Cobalt) : เน้นความหนาแน่นของพลังงานและกำลังไฟฟ้าที่สูงกว่า แต่แลกมาด้วยอายุการใช้งานที่สั้นลง โดยทั่วไปให้อายุการใช้งาน 7–12 ปี และจำนวนรอบ 1,000–2,000 รอบ มีการเสื่อมสภาพเร็วขึ้นเมื่อเผชิญกับความร้อนต่อเนื่อง แรงดันไฟฟ้าสูง หรือการคายประจุลึก

สำหรับการใช้งานด้านพลังงานแสงอาทิตย์แบบคงที่ การมีอายุการใช้งานตามเวลา (calendar life) ที่ยาวนานกว่าและความมั่นคงทางความร้อนของ LFP มักเป็นเหตุผลเพียงพอที่ทำให้มีการนำไปใช้กันอย่างแพร่หลาย แม้ว่าจะมีความหนาแน่นของพลังงานต่ำกว่าก็ตาม

ปัจจัยสำคัญที่เร่งการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมในการใช้งานด้านพลังงานแสงอาทิตย์

ความลึกของการคายประจุ (DoD): ช่วงการใช้งานมีผลต่อจำนวนรอบการชาร์จไฟของแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไรโดยตรง

ระดับการคายประจุ หรือที่เรียกกันสั้นๆ ว่า DoD (Depth of Discharge) โดยพื้นฐานแล้วบ่งบอกถึงปริมาณพลังงานแบตเตอรี่ที่ถูกใช้งานไปก่อนที่เราจะต้องชาร์จใหม่ และจริงๆ แล้วปัจจัยนี้มีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานโดยรวมของแบตเตอรี่ เมื่อแบตเตอรี่ถูกใช้งานจนระดับประจุลดลงต่ำเป็นประจำ เช่น เหลือประมาณ 20% ของสถานะประจุ (State of Charge) ชิ้นส่วนภายในจะเกิดความเครียดมากกว่าเมื่อเทียบกับกรณีที่ปล่อยให้คายประจุเพียงบางส่วน เช่น ประมาณ 50% การศึกษาแสดงให้เห็นว่า หากแบตเตอรี่ทำงานที่ระดับ DoD 80% แทนที่จะเป็นเพียง 50% จำนวนรอบการชาร์จทั้งหมดจะลดลงประมาณครึ่งหนึ่ง ซึ่งหมายความว่า ความจุจะลดลงเร็วขึ้น และเซลล์แบตเตอรี่จะสึกหรอเร็วกว่า โดยเฉพาะในระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ที่สภาพอากาศไม่แน่นอนและความต้องการพลังงานที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ทำให้เกิดสถานการณ์การคายประจุที่หลากหลาย การตั้งค่าระบบให้คงระดับการชาร์จไว้ในช่วงกลาง เช่น ระหว่าง 20% ถึง 80% จึงเป็นแนวทางที่สมเหตุสมผลในการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ราคาแพงเหล่านี้ให้นานที่สุด

การจัดการอุณหภูมิ: เหตุใดอุณหภูมิโดยรอบและอุณหภูมิของเซลล์จึงเป็นปัจจัยหลักที่ทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมเสื่อมสภาพ

เมื่อพูดถึงแบตเตอรี่ลิเธียม อุณหภูมิจัดเป็นปัจจัยสิ่งแวดล้อมอันดับต้นๆ ที่มีผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป ไม่ว่าจะมาจากสภาพแวดล้อมหรือภายในเซลล์เอง ก็จะกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่พึงประสงค์บางอย่าง ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของชั้นที่เรียกว่า solid-electrolyte interphase (SEI) โดยชั้นนี้ทำให้แบตเตอรี่ทำงานหนักขึ้น เนื่องจากเพิ่มความต้านทานภายในและชะลอการเคลื่อนที่ของไอออนที่สำคัญ การศึกษาหลายชิ้บแสดงให้เห็นว่า เมื่ออุณหภูมิคงที่อยู่เหนือ 35 องศาเซลเซียส ชั้น SEI อาจเพิ่มความต้านทานได้ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ต่อปี ในทางกลับกัน การพยายามชาร์จแบตเตอรี่เหล่านี้เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง จะก่อให้เกิดปัญหาอีกประการหนึ่งที่เรียกว่า lithium plating ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียความจุอย่างถาวร และบางครั้งอาจทำให้เกิดการลัดวงจรภายในที่อันตรายได้ ผู้ผลิตส่วนใหญ่แนะนำให้รักษาระดับอุณหภูมิของแบตเตอรี่ไว้ระหว่าง 20 ถึง 25 องศาเซลเซียส เพื่อผลลัพธ์ที่ดีที่สุด หากออกห่างจากช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมนี้มากเกินไป อัตราการเสื่อมสภาพจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว บางครั้งเร็วกว่าปกติถึง 10 ถึง 15 เท่าในอุณหภูมิสุดขั้ว ปัญหานี้มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับระบบที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากระบังคับติดตั้งในสถานที่ที่ไม่มีระบบควบคุมสภาพอากาศ หรือติดตั้งกลางแดดโดยตรง ซึ่งอุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรุนแรง ด้วยเหตุนี้ โซลูชันการจัดการความร้อนที่เหมาะสม เช่น การออกแบบการระบายอากาศที่ดี วัสดุพิเศษที่ดูดซับการเปลี่ยนแปลงของความร้อน หรือระบบทำความเย็นจริงๆ จึงไม่ใช่แค่สิ่งที่ควรมีอีกต่อไป แต่จำเป็นอย่างยิ่งหากต้องการให้แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและรักษาเงื่อนไขการรับประกันตลอดอายุการใช้งาน

การเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมผ่านการออกแบบระบบอัจฉริยะและการปรับแต่ง BMS

บทบาทของระบบบริหารจัดการแบตเตอรี่ในการปกป้องสุขภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมและยืดอายุการใช้งาน

ระบบบริหารจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ทำหน้าที่เป็นผู้พิทักษ์แบบเรียลไทม์ของแบตเตอรี่ โดยทำการตรวจสอบระดับแรงดัน อุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า และสถานะการชาร์จของเซลล์อย่างต่อเนื่อง หน้าที่หลักในการป้องกัน ได้แก่:

• บังคับใช้ขีดจำกัดแรงดันเพื่อป้องกันการชาร์จเกินและการคายประจุลึก
• ดำเนินการถ่วายดุลเซลล์แบบพาสซีฟหรือแอคทีฟ เพื่อรักษาระดับสถานะการชาร์จให้สม่ำเสมอทั่วทั้งแพ็ค
• กระตุ้นการปิดการทำงานจากความร้อนหรือลดประสิทธิภาพเมื่ออยู่นอกช่วงการปฏิบัติงานที่ปลอดภัย (แนะนำที่ 0–45°C)

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่แข็งแกร่งและปรับแต่งให้เหมาะสมกับการใช้งานเฉพาะไม่เพียงแต่ป้องกันความล้มเหลวอย่างรุนแรงเท่านั้น แต่ยังช่วยลดปัจจัยที่ทำให้ประสิทธิภาพเสื่อมถอยอย่างแข็งขันอีกด้วย การทดสอบโดยหน่วยงานอิสระยืนยันว่า แบตเตอรี่ที่ไม่มีการควบคุมด้วย BMS ที่แม่นยำจะสูญเสียความจุเร็วขึ้นได้สูงสุดสามเท่า และเหตุการณ์การลุกลามของความร้อน (thermal runaway) ส่งผลให้เกิดความสูญเสียในการดำเนินงานเฉลี่ยเกิน 740,000 ดอลลาร์สหรัฐ (Ponemon Institute, 2023)

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดเฉพาะสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์: การเลือกขนาดความจุให้เหมาะสม การหลีกเลี่ยงการชาร์จเกิน และการปรับโพรไฟล์การชาร์จแบบปรับตัว เพื่อยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม

การตัดสินใจด้านการออกแบบที่เฉพาะเจาะจงสำหรับระบบพลังงานแสงอาทิตย์มีผลโดยตรงต่อ whether แบตเตอรี่ลิเธียมจะสามารถบรรลุอายุการใช้งานตามที่ผู้ผลิตระบุไว้ หรือไม่ถึงเป้าหมายนั้น แนวทางปฏิบัติที่อิงหลักฐานเชิงประจักษ์ซึ่งสำคัญ ได้แก่:

• การเลือกขนาดความจุให้เหมาะสม เพื่อให้ทำงานอยู่ภายในช่วงสถานะการชาร์จ (state-of-charge) ที่ 20–80% โดยหลีกเลี่ยงขอบเขตที่สร้างความเครียดสูง คือ 0% และ 100%
• การใช้โพรไฟล์การชาร์จแบบปรับตัว โดยที่แรงดันไฟฟ้าขณะชาร์จจะลดลงแบบไดนามิกเมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น—เนื่องจากทุกๆ การเพิ่มขึ้น 10°C จาก 25°C อาจทำให้อัตราการเสื่อมถอยเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า
• การยกเลิกการชาร์จแบบคงที่ (float charging) หรือการชาร์จแบบหยด (trickle charging) , ซึ่งก่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ไม่จำเป็นในช่วงที่โหลดต่ำ
• การรวมระบบควบคุมอุณหภูมิแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟ , โดยเฉพาะอย่างยิ่งในช่วงที่ความเข้มของแสงแดดสูงสุดและในช่วงฤดูร้อน

ระบบที่ยึดถือตามหลักการเหล่านี้มักสามารถใช้งานได้นานกว่า 15 ปีขึ้นไปโดยยังคงความสามารถในการเก็บประจุไว้มากกว่า 80% ของค่าเริ่มต้น ซึ่งยืนยันว่าอายุการใช้งานยาวนานนั้นขึ้นอยู่กับเคมีของแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียวไม่ได้ แต่ขึ้นอยู่กับการผสานรวมระบบอย่างชาญฉลาดมากกว่า

การประเมินจุดสิ้นสุดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม: เงื่อนไขการรับประกัน การคงความสามารถในการเก็บประจุ และช่วงเวลาเปลี่ยนแบตเตอรี่

การหมดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมมักไม่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันเหมือนกับการเสียหายทันที แต่เป็นการเสื่อมสภาพอย่างช้าๆ ซึ่งผู้ผลิตจะกำหนดไว้ตามเงื่อนไขการรับประกันและเกณฑ์ประสิทธิภาพเฉพาะตัว เงื่อนไขการรับประกันโดยทั่วไปจะกำหนดจุดหมดอายุ (EOL) เมื่อความจุของแบตเตอรี่ลดลงเหลือระหว่าง 60% ถึง 80% ของค่าความจุเดิม ซึ่งมักเกิดขึ้นประมาณช่วงเวลา 10 ปี แต่ในขณะนี้เรากำลังเห็นผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่บางรายเริ่มเพิ่มเกณฑ์อีกประการหนึ่งเข้ามาด้วย นั่นคือการพิจารณาปริมาณพลังงานที่ไหลผ่านระบบตลอดระยะเวลาการใช้งาน เช่น พลังงานที่ส่งออกได้รวม 30 ล้านวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งเกณฑ์ใดก็ตามที่เกิดขึ้นก่อนจะเป็นตัวกำหนดว่าการรับประกันยังคงมีผลอยู่หรือไม่ ดังนั้นเมื่อพิจารณาอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ จริงๆ แล้วมีเพียงตัวเลขสำคัญสองตัวที่ควรจับตาดู:

• ความจุขั้นต่ำที่รับประกัน เมื่อหมดระยะเวลารับประกัน (เช่น “คงเหลือ 70% หลัง 10 ปี”)
• ขีดจำกัดรวมของการถ่ายโอนพลังงานทั้งหมด , แสดงเป็นเมกะวัตต์-ชั่วโมง (MWh) ซึ่งคำนึงถึงความเข้มข้นของการชาร์จ-ปล่อยไฟฟ้าในการใช้งานจริง

สิ่งสำคัญคือ การที่แบตเตอรี่หมดระยะเวลารับประกัน (EOL) ไม่ได้หมายความว่าต้องเปลี่ยนทันที: แบตเตอรี่ LFP จำนวนมากยังคงใช้งานได้อย่างเชื่อถือได้ แม้อายุการใช้งานจะลดลงบ้าง เป็นเวลาหลายปีเพิ่มเติม การวางแผนช่วงเวลาในการเปลี่ยนแบตเตอรี่อย่างมีกลยุทธ์ควรพิจารณาจากการตรวจสอบสภาพแบตเตอรี่ (SoH) เป็นประจำ ไม่ใช่แค่อายุการใช้งานตามปฏิทิน เพื่อหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิด และเพิ่มประสิทธิภาพด้านต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งาน

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียม

ความแตกต่างระหว่างอายุการเก็บรักษา (calendar life) และอายุการใช้งานตามรอบชาร์จ (cycle life) ของแบตเตอรี่ลิเธียมคืออะไร

อายุการเก็บรักษา (calendar life) หมายถึง จำนวนปีที่แบตเตอรี่ยังคงทำงานได้แม้จะไม่ได้ใช้งาน จนกว่าความจุจะลดลงต่ำกว่า 80% ในขณะที่อายุการใช้งานตามรอบชาร์จ (cycle life) หมายถึง จำนวนรอบการชาร์จและปล่อยประจุเต็มรูปแบบที่แบตเตอรี่สามารถทำได้ ก่อนที่ความจุจะลดลงถึงระดับเดียวกัน

อุณหภูมิส่งผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไร

อุณหภูมิที่สูงหรือต่ำเกินไปจะก่อให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่ไม่พึงประสงค์ในแบตเตอรี่ลิเธียม ซึ่งเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพ จึงแนะนำให้เก็บรักษาแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิระหว่าง 20 ถึง 25 องศาเซลเซียส เพื่อลดอัตราการเสื่อมสภาพ

เมื่อครบกำหนดหมดระยะเวลารับประกัน (end-of-life warranty) จำเป็นต้องเปลี่ยนแบตเตอรี่ลิเธียมทันทีหรือไม่

ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนทันทีเมื่อถึงจุดสิ้นสุดอายุการรับประกัน โดยแบตเตอรี่จำนวนมากยังสามารถให้เวลาการใช้งานที่ลดลงแต่ยังคงเชื่อถือได้อีกหลายปีหลังจากช่วงเวลาที่กำหนดไว้