การดูแลแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไรให้ประสิทธิภาพดีขึ้น?

การจัดการระดับการชาร์จ: หลีกเลี่ยงค่าสุดโต่งเพื่ออายุการใช้งานที่เหมาะสมที่สุด

ความเสี่ยงจากการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมถึง 100% และการคายประจุจนเหลือ 0%

การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมให้เต็ม 100% หรือปล่อยให้หมดเกลี่ยงนั้น จริงๆ แล้วจะเร่งให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้นตามเวลาที่ผ่านไป เมื่อเซลล์ถึงระดับประจุสูงสุด แรงดันไฟฟ้าจะสูงมากจนเริ่มทำลายสารอิเล็กโทรไลต์ภายใน ซึ่งการคายประจุลึกก็ไม่ดีเช่นกัน เพราะจะสร้างความเครียดอย่างมากต่อวัสดุแอโนดภายในแบตเตอรี่ ตามงานวิจัยที่เผยแพร่เมื่อปีที่แล้วจาก Bonnen Batteries พบว่า รถยนต์ไฟฟ้าที่รักษาระดับการชาร์จไว้ระหว่าง 85% ถึง 25% แทนที่จะชาร์จจนเต็มหรือปล่อยให้หมด จะมีการสูญเสียความจุน้อยลงประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ หลังจากผ่านการชาร์จ 1,000 รอบ การพิจารณาในมุมนี้จึงสมเหตุสมผล: การรักษาแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสมจะยืดอายุการใช้งานได้อย่างมีนัยสำคัญ

ช่วงระดับการชาร์จที่เหมาะสม (40%-80%) สำหรับการใช้งานประจำวัน

การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมให้อยู่ระหว่างประมาณ 40% ถึง 80% สำหรับการใช้งานในแต่ละวัน ช่วยให้แบตเตอรี่มีทั้งประสิทธิภาพดีและอายุการใช้งานยาวนานขึ้น เมื่อแบตเตอรี่อยู่ในช่วงที่เหมาะสมนี้ จะเกิดความเครียดจากแรงดันไฟฟ้าต่ำลง ซึ่งช่วยรักษาความจุของแบตเตอรี่ไว้ได้มากที่สุด จากผลการทดสอบบางรายการที่บริษัท Large Power ดำเนินการกับระบบแบตเตอรี่สำหรับอุตสาหกรรม พบว่าแบตเตอรี่ที่รักษาระดับการชาร์จไว้ในช่วงนี้สามารถคงความจุไว้ได้ประมาณ 90% ของความจุเดิม แม้จะผ่านการชาร์จไปแล้ว 500 รอบ นอกจากนี้ อุตสาหกรรมยานยนต์ก็พบผลลัพธ์ในลักษณะเดียวกัน โดยงานวิจัยระบุว่า รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้งานโดยชาร์จไฟระหว่าง 20% ถึง 80% มีแนวโน้มสูญเสียสุขภาพของแบตเตอรี่เพียงครึ่งหนึ่งเมื่อเทียบกับรถที่ชาร์จจนเต็มหรือปล่อยให้หมดเป็นประจำ ภายในระยะเวลาสามปี ซึ่งสอดคล้องกับหลักการทำงานของเคมีภายในแบตเตอรี่ภายใต้เงื่อนไขการชาร์จที่แตกต่างกัน

การชาร์จไฟบางส่วนเทียบกับการชาร์จเต็มสำหรับสุขภาพแบตเตอรี่: เหตุใดการชาร์จบ่อยครั้งในปริมาณน้อยจึงเป็นประโยชน์

การชาร์จโทรศัพท์มือถือบ่อยครั้งแต่เพียงบางส่วน เช่น จากประมาณ 30% ถึง 70% จริงๆ แล้วส่งผลเสียน้อยกว่าต่อสุขภาพของแบตเตอรี่ เมื่อเทียบกับการปล่อยให้แบตเตอรี่ลดลงจนหมดที่ 0% ก่อนจะชาร์จเต็มใหม่ ในการชาร์จแบบบางส่วน สิ่งที่เกิดขึ้นคือ มีการสะสมของไอออนลิเธียมบนขั้วลบของแบตเตอรี่น้อยลง ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพตามเวลาที่ผ่านไป ผู้ใช้งานที่เติมพลังงานโทรศัพท์ของตน 2 หรือ 3 ครั้งต่อวัน มักจะได้รับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นประมาณ 25% เมื่อเทียบกับผู้ที่รอจนโทรศัพท์หมดแบตเต็มก่อนจะเสียบชาร์จ บริษัทผู้ผลิตโทรศัพท์รายใหญ่รายหนึ่งได้ทำการศึกษาเมื่อปี 2022 และพบแนวโน้มนี้อย่างต่อเนื่องในโมเดลและสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน

กรณีศึกษา: ผู้ใช้สมาร์ทโฟนที่มีพฤติกรรมชาร์จไฟระหว่าง 20%-80% มีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ยาวนานขึ้น 30%

การศึกษาเชิงสังเกตเป็นเวลา 12 เดือนได้ติดตามผู้ใช้สมาร์ทโฟน 1,200 คน ที่รักษาระดับ SOC ระหว่าง 20%-80% อุปกรณ์ที่มีระบบชาร์จแบบปรับตัวได้ยังคงความจุเดิมไว้ได้ 92% เทียบกับ 72% สำหรับผู้ที่ชาร์จเต็มรอบอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการคายประจุระดับตื้นมีประโยชน์ที่สามารถขยายผลได้ในทุกการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียม

แนวโน้ม: ผู้ผลิตอุปกรณ์เดิม (OEM) เปิดใช้งาน 'การชาร์จแบบปรับตัวได้' เพื่อจำกัดการชาร์จเกินในช่วงกลางคืน

ผู้ผลิตรายใหญ่ตอนนี้รวมอัลกอริธึมการชาร์จที่ขับเคลื่อนด้วยปัญญาประดิษฐ์ ซึ่งเรียนรู้รูปแบบการใช้งาน ระบบเหล่านี้จะเลื่อนเวลาการชาร์จให้เสร็จในช่วงกลางคืน เพื่อลดระยะเวลาที่ใช้ที่ระดับ SOC 100% กลุ่มรถยนต์ที่ใช้การชาร์จแบบปรับตัวได้รายงานว่าความจุลดลงช้าลง 18% ต่อปี เมื่อเทียบกับโปรโตคอลการชาร์จมาตรฐาน

แนวทางการชาร์จ: การแลกเปลี่ยนระหว่างการชาร์จเร็วและการชาร์จมาตรฐาน

ผลกระทบของอัตราการชาร์จต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่: ความร้อนและความเครียดจากการชาร์จเร็ว

ความสะดวกของระบบชาร์จเร็วมาพร้อมกับต้นทุนแฝงที่ส่งผลต่อสุขภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม การชาร์จด้วยกำลังไฟสูงสร้างความร้อนมากกว่าวิธีการมาตรฐานถึง 40% ซึ่งเร่งการเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรดและการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ ความเครียดจากความร้อนนี้อาจทำให้ความสามารถในการชาร์จลดลงอย่างถาวรได้สูงสุดถึง 12% หลังจากผ่านการชาร์จ 300 รอบในสมาร์ทโฟนและรถยนต์ไฟฟ้า

วิธีการชาร์จที่เหมาะสมสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม: เมื่อใดควรใช้การชาร์จช้าหรือชาร์จเร็ว

ให้ให้ความสำคัญกับการชาร์จช้า (อัตรา £1C) สำหรับการใช้งานประจำวัน และใช้การชาร์จเร็ว (>2C) เฉพาะกรณีฉุกเฉินเท่านั้น ตัวอย่างเช่น:

จุดข้อมูล: รถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้การชาร์จเร็วแบบ DC เป็นประจำแสดงอัตราการลดความจุเร็วกว่า 15%

การศึกษาเป็นเวลา 3 ปีในรถยนต์ไฟฟ้า 12,000 คัน พบว่าแบตเตอรี่ที่ชาร์จผ่านสถานีชาร์จเร็วแบบ DC วันละ 3 ครั้งต่อสัปดาห์ มีอัตราการเสื่อมสภาพเร็วกว่า 15% เมื่อเทียบกับรถที่ใช้เครื่องชาร์จระดับ 2 การค้นพบนี้สอดคล้องกับข้อมูลจากห้องปฏิบัติการที่แสดงให้เห็นว่าการเคลือบลิเธียมเพิ่มขึ้น 20% เมื่ออุณหภูมิอยู่ที่ 40°C ระหว่างการชาร์จอย่างรวดเร็ว

กลยุทธ์: ใช้การชาร์จเร็วเฉพาะกรณีฉุกเฉิน ส่วนการชาร์จปกติควรใช้ทุกวัน

ใช้กฎ 80/20: จำกัดการชาร์จเร็วไว้ไม่เกิน 20% ของการชาร์จทั้งหมด ผู้ใช้สมาร์ทโฟนที่ปฏิบัติตามแนวทางนี้สามารถรักษาความจุเดิมได้ถึง 95% หลังจาก 2 ปี เทียบกับ 82% สำหรับผู้ที่ชาร์จเร็วทุกวัน เปิดใช้งานคุณสมบัติการชาร์จแบบปรับได้ ซึ่งจะลดอัตราการส่งพลังงานเมื่อชาร์จเกิน 80%

การจัดการอุณหภูมิ: ปกป้องแบตเตอรี่ลิเธียมจากรอยแตกจากความร้อน

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน: อุณหภูมิ 25°C เป็นเกณฑ์ที่เหมาะสมที่สุด

แบตเตอรี่ลิเธียมจะทำงานได้ดีที่สุดและมีอายุการใช้งานยาวนานที่สุดเมื่อทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 25°C (77°F) การเบี่ยงเบนจากอุณหภูมินี้จะเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพ โดยทุกๆ การเพิ่มขึ้น 15°C จาก 25°C อาจทำให้อายุการใช้งานลดลงครึ่งหนึ่ง เนื่องจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ที่เร็วขึ้น ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ในปัจจุบันช่วยควบคุมสมดุลอุณหภูมิด้วยเทอร์มิสเตอร์และวงจรระบายความร้อน

ความเสี่ยงจากอุณหภูมิสูง: การเสื่อมสภาพของอิเล็กโทรไลต์ที่เร่งตัวเมื่อเกิน 35°C

การสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงกว่า 35°C เป็นเวลานานจะก่อให้เกิดความเสียหายอย่างถาวร:

• การระเหยของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มความต้านทานภายในขึ้น 40-60%
• การเจริญเติบโตของชั้น SEI ทำให้ไอออนลิเธียมที่ใช้งานได้ลดลง (0.5-1.2% ต่อรอบที่ 40°C)
• การกัดกร่อนของตัวนำไฟฟ้าอลูมิเนียมเร่งให้ความจุลดลง

ผลกระทบจากอุณหภูมิต่ำ: การเคลือบลิเธียมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C ขณะชาร์จ

การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0°C จะทำให้เกิดการสะสมของลิเธียมในรูปโลหะบนขั้วบวกกราไฟต์ ซึ่งส่งผลให้ความจุลดลง 5-20% ต่อแต่ละครั้ง การสะสมนี้ก่อให้เกิดไ dendrites ที่อาจทำให้เกิดวงจรลัดวงในภายในได้ ผู้ผลิตรถยนต์ EV จึงกำหนดให้ต้องทำการปรับอุณหภูมิแบตเตอรี่ให้ถึง 15°C ก่อนชาร์จเร็วแบบ DC ในสภาพอากาศเย็นจัด

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุด: การจัดเก็บและการใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมภายในช่วงอุณหภูมิที่ปลอดภัย

• ใช้ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟ เช่น การระบายความร้อนด้วยของเหลว สำหรับการใช้งานที่มากกว่า 5 กิโลวัตต์
• หุ้มฉนวนแบตเตอรี่ที่ติดตั้งภายนอกอาคาร โดยยังคงเว้นช่องว่างอากาศ 2-3 นิ้ว เพื่อการระบายอากาศ
• หลีกเลี่ยงการสัมผัสแสงแดดโดยตรง เพราะอุณหภูมิพื้นผิวอาจสูงเกิน 60°C
• ตรวจสอบอุณหภูมิของเซลล์ให้มีความแตกต่างไม่เกิน 5°C

ความลึกของการคายประจุและอายุการใช้งาน: การเพิ่มประสิทธิภาพรูปแบบการใช้งาน

อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมขึ้นอยู่กับการควบคุม ระดับการปล่อยประจุ (DOD) เปอร์เซ็นต์ของความจุทั้งหมดที่ใช้ต่อรอบการใช้งาน งานวิจัยล่าสุดยืนยันว่า การคายประจุในระดับตื้นสามารถยืดอายุการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ได้มากกว่าสองเท่า เมื่อเทียบกับการคายประจุลึก

ความลึกของการคายประจุและผลกระทบต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่: การคายประจุเพียงเล็กน้อยช่วยยืดอายุการใช้งาน

การคายประจุเต็มรูปแบบทุกครั้งจะทำให้เกิดความเครียดต่อขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ของแบตเตอรี่ลิเธียม การศึกษาจาก รายงานการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ ปี 2024 แสดงให้เห็นว่า:

การคายประจุบางส่วนช่วยลดการเจริญเติบโตของผลึกที่ขั้วบวก ซึ่งช่วยรักษาความสามารถในการเคลื่อนที่ของลิเธียมไอออน ตัวอย่างเช่น การจำกัดความลึกของการคายประจุ (DoD) ที่ 50% แทนที่จะเป็น 100% จะช่วยเพิ่มปริมาณพลังงานรวมที่จ่ายได้ตลอดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ถึง 300% (กระทรวงพลังงาน, 2023)

อายุการใช้งานและการคงเหลือความจุตามเวลา: DoD ที่ 20% ยืดอายุการใช้งานได้เป็นสองเท่าเมื่อเทียบกับ 80% DoD

พฤติกรรมการคายประจุที่ 20% ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อเทียบกับการคายประจุในระดับปานกลางที่ 80% การทดสอบโดยนักวิเคราะห์ในอุตสาหกรรมพบว่า:

• 80% DOD = ~800 รอบก่อนความจุเหลือ 80%
• 20% DoD = ~3,200 รอบที่ความจุ 90%

ความแตกต่างของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่เพิ่มขึ้น 4 เท่านี้ มาจากการลดแรงเครียดทางกลในระหว่างการคายประจุระดับตื้น

กลยุทธ์: ใช้อุปกรณ์ที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ก่อนจะปล่อยให้หมดเพื่อลดความเครียด

ปรับเปลี่ยนพฤติกรรมตามแนวทางต่อไปนี้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้ความลึกของการคายประจุ (DoD):

1. ชาร์จอุปกรณ์เมื่อเหลือประจุ 30-40%
2. หลีกเลี่ยงการใช้จนประจุต่ำกว่า 10% อันเกิดจากความกังวลเรื่องแบตเตอรี่หมด
3. ใช้ตัวจับเวลาหรือปลั๊กอัจฉริยะเพื่อป้องกันการชาร์จเกินในเวลากลางคืน

ผู้ผลิตแนะนำให้ชาร์จในช่วงกลางวงจร (mid-cycle) โดยระบบจัดการแบตเตอรี่ชั้นนำจะจำกัดการชาร์จ/คายประจุโดยอัตโนมัติที่ช่วง 20-80%

การเก็บรักษาและการดูแลระยะยาว: การรักษาสุขภาพแบตเตอรี่ลิเธียม

เงื่อนไขการจัดเก็บแบตเตอรี่: อุดมคติที่ระดับประจุ 40-60% และอุณหภูมิที่เย็น

เพื่อป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ลิเธียมสูญเสียความสามารถในการเก็บพลังงานเมื่อเวลาผ่านไป จำเป็นต้องจัดเก็บในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม โดยผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่แนะนำให้ชาร์จแบตเตอรี่ไว้ประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์เมื่อไม่ได้ใช้งาน และจัดเก็บในพื้นที่ที่อุณหภูมิคงที่อยู่ระหว่างประมาณ 15 ถึง 25 องศาเซลเซียส (หรือประมาณ 59 ถึง 77 องศาฟาเรนไฮต์) เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 35 องศาเซลเซียส กระบวนการเสื่อมสภาพภายในแบตเตอรี่จะเร่งตัวขึ้น งานวิจัยบางชิ้นแสดงให้เห็นว่า หากอุณหภูมิสูงขึ้นกว่าอุดมคติ 10 องศา อาจทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลงครึ่งหนึ่ง อีกทั้งความชื้นก็มีความสำคัญด้วย ความชื้นที่สูงกว่า 60% อาจก่อให้เกิดปัญหาการกัดกร่อน สำหรับผู้ที่วางแผนจะจัดเก็บแบตเตอรี่เป็นเวลานานหลายฤดูกาล การตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าทุกสองสามเดือนจึงเป็นสิ่งที่สมเหตุสมผล เพื่อให้มั่นใจว่าเซลล์แบตเตอรี่ยังทำงานปกติ

หลีกเลี่ยงการปล่อยให้แบตเตอรี่หมดประจุลึกขณะจัดเก็บเป็นเวลานาน

เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมถูกทิ้งไว้โดยมีประจุน้อยกว่า 20% จะเกิดปัญหาร้ายแรง เช่น การสะสมของซัลเฟชั่น ซึ่งอาจทำให้ความจุลดลงอย่างถาวร แบตเตอรี่เหล่านี้ยังสูญเสียพลังงานตามธรรมชาติตามเวลาที่ผ่านไปด้วย อัตราประมาณ 1 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ต่อเดือนเพียงแค่ถูกทิ้งไว้เฉยๆ และในที่สุดอาจหมดประจุอย่างสมบูรณ์ การปฏิบัติที่ดีสำหรับการจัดเก็บระยะยาวคือการชาร์จแบตเตอรี่ให้อยู่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของความจุทุกสามเดือนเมื่อไม่ได้ใช้งาน การพิจารณาสิ่งที่เกิดขึ้นในอุตสาหกรรมการบินสามารถแสดงให้เห็นว่าทำไมเรื่องนี้จึงสำคัญมาก แบตเตอรี่เครื่องบินที่ถูกทิ้งไว้ที่ศูนย์เปอร์เซ็นต์เป็นเวลาหกเดือน โดยทั่วไปจะสูญเสียความจุรวมประมาณ 18% อย่างถาวร ในขณะที่แบตเตอรี่ที่เก็บไว้ที่ประมาณ 50% จะสูญเสียเพียงประมาณ 4% เท่านั้น ความแตกต่างนี้เองที่ทำให้แบตเตอรี่สามารถใช้งานได้นานหลายปี หรือต้องเปลี่ยนใหม่ก่อนกำหนด

การตรวจสอบสุขภาพของแบตเตอรี่ผ่านการสังเกตระยะเวลาการใช้งานและเครื่องมือซอฟต์แวร์

ติดตามการเปลี่ยนแปลงของประสิทธิภาพโดยใช้วิธีการสองแบบ:

1. การเปรียบเทียบระยะเวลาการใช้งาน : สังเกตเวลาการใช้งานที่ลดลงระหว่างการชาร์จแต่ละครั้ง
2. เครื่องมือวินิจฉัย : ใช้เครื่องติดตามความต้านทานแบบอิมพีแดนซ์หรือซอฟต์แวร์ของผู้ผลิตเพื่อวัดความต้านทานภายใน

การวิเคราะห์ระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ในปี 2023 พบว่าผู้ใช้งานที่ตรวจสอบตัวชี้วัดสุขภาพของแบตเตอรี่สามารถรักษากำลังการเก็บประจุไว้ได้ 92% หลังจาก 1,000 รอบการชาร์จ-ปล่อย ขณะที่ระบบที่ไม่มีการตรวจสอบมีกำลังการเก็บประจุเหลือเพียง 78%

แนวโน้ม: ระบบ BMS อัจฉริยะที่ผสานเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์ (AI) เพื่อทำนายอายุการใช้งานที่เหลืออยู่

ระบบจัดการแบตเตอรี่ในปัจจุบันเริ่มใช้อัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่องจักร (machine learning) เพื่อติดตามการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ตามระยะเวลา การทำงานของระบบใหม่เหล่านี้จะพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้า การผันผวนของอุณหภูมิ และรอบการชาร์จในอดีต เพื่อทำนายอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ ผลการทดสอบบางอย่างแสดงให้เห็นว่า ระบบอัจฉริยะเหล่านี้สามารถทำนายอายุการใช้งานได้แม่นยำประมาณ 89 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสูงกว่าวิธีการเดิมที่พิจารณาเพียงระดับแรงดันไฟฟ้าถึงประมาณ 35 เปอร์เซ็นต์ ความสามารถในการคาดการณ์ล่วงหน้านี้หมายความว่าช่างเทคนิคสามารถแก้ไขปัญหาได้ก่อนที่จะกลายเป็นปัญหาร้ายแรง ในทางปฏิบัติ แนวทางนี้แสดงให้เห็นว่าสามารถยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้นานขึ้นระหว่าง 20 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ทั้งในรถยนต์ไฟฟ้าและระบบกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่สำหรับโครงข่ายไฟฟ้า