EN
ลิงก์ด่วน
แบตเตอรี่ที่ชาร์จไฟได้จะเกิดการสึกหรอเล็กน้อยหลังจากแต่ละรอบการชาร์จ เนื่องจากไอออนเคลื่อนที่ภายในและขั้วไฟฟ้าขยายตัวขณะชาร์จ เมื่อเซลล์ลิเธียมไอออนทำงานในระดับสุดขั้ว ไม่ว่าจะเกือบหมดหรือเต็มเปี่ยม จะทำให้เกิดแรงกดดันเพิ่มเติมต่อแอนโอดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของแบตเตอรี่ ตามการวิจัยจากห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (National Renewable Energy Lab) ในปี 2020 การใช้งานในลักษณะนี้สามารถลดความจุของแบตเตอรี่ได้ถึง 24% ต่อปี เมื่อเทียบกับการรักษาสมดุลไว้ ปัญหานี้จะรุนแรงขึ้นเมื่ออุปกรณ์ถูกชาร์จเกิน 90% เป็นประจำ เพราะจะนำไปสู่ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าลิเธียมเพลทติ้ง (lithium plating) ซึ่งเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมประสิทธิภาพลงตามเวลา
การรักษาระดับประจุของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนไว้ที่ประมาณ 30% ถึง 70% จะช่วยป้องกันการเกิดผลึกที่น่ารำคาญบนขั้วไฟฟ้า ซึ่งสามารถลดการเกิดผลึกได้ประมาณ 40% เมื่อเทียบกับการปล่อยให้แบตเตอรี่หมดจาก 0 ถึง 100% กระทรวงพลังงานได้ศึกษาเรื่องนี้ในปี 2019 และพบสิ่งที่น่าสนใจ: การทดสอบของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าเมื่อแบตเตอรี่เหล่านี้คายประจุเพียงครึ่งทาง (ประมาณ 50%) จะมีอายุการใช้งานอยู่ระหว่าง 1,200 ถึง 1,500 รอบการชาร์จ ก่อนที่ความจุจะลดลงเหลือเพียง 80% ของความจุเดิม ซึ่งมากกว่าการชาร์จแบบเต็มรอบที่ทำให้แบตเตอรี่มีอายุเพียง 500 รอบอย่างชัดเจน ผู้ผลิตรถยนต์เองก็ให้ความสำคัญกับเรื่องนี้เช่นกัน รถยนต์ไฟฟ้าหลายรุ่นในปัจจุบันจึงจำกัดการชาร์จเร็วไว้ที่ 80% เป็นส่วนหนึ่งของกลยุทธ์เพื่อรักษาแบตเตอรี่ที่มีราคาแพงให้มีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น Tesla, Nissan และผู้ผลิตรายอื่นๆ ต่างก็ใช้แนวทางคล้ายกันในออกแบบ EV ของตน
| ความลึกของการปล่อยพลังงาน | อายุการใช้งานเฉลี่ยต่อรอบ | การคงความจุหลัง 3 ปี |
|---|---|---|
| 100% (เต็ม) | 500 รอบ | 65%-70% |
| 50% | 1,200 รอบ | 85%-88% |
เมื่อเราพูดถึงรอบการชาร์จของแบตเตอรี่ เรากำลังพิจารณาการใช้พลังงานทั้งหมดของแบตเตอรี่ครบ 100% ไม่ว่าจะเกิดขึ้นในครั้งเดียวเมื่ออุปกรณ์หมดพลังงานทั้งหมด หรือเกิดจากการชาร์จหลายครั้งในแต่ละวัน วิธีที่แบตเตอรี่สมัยใหม่ติดตามการสึกหรอนี้ช่วยอธิบายได้ว่าทำไมผู้คนถึงอาจมีประสบการณ์ที่แตกต่างกันมากเกี่ยวกับอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของอุปกรณ์ แม้จะใช้รุ่นเดียวกันก็ตาม ผู้ที่มักจะชาร์จอุปกรณ์เป็นระยะสั้นๆ บ่อยครั้ง มักพบว่าแบตเตอรี่ยังคงเก็บประจุได้ประมาณ 92% ของกำลังไฟเดิม หลังจากผ่านการชาร์จเต็มรอบไปประมาณ 500 รอบ เปรียบเทียบกับผู้ที่ปล่อยให้แบตเตอรี่ลดลงจนเหลือ 0% เป็นประจำ ซึ่งอุปกรณ์ของพวกเขามักจะลดลงเหลือเพียง 76% ของความจุเดิม ภายหลังการใช้งานในระดับใกล้เคียงกัน โดยผลการทดสอบบางส่วนจาก Consumer Reports ในปี 2022 ระบุไว้เช่นนี้
การเก็บรักษาแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนให้มีระดับประจุอยู่ระหว่าง 20% ถึง 80% ช่วยลดความเครียดทางอิเล็กโทรเคมีที่เกิดขึ้นตามอายุการใช้งานได้อย่างมาก ตามผลการศึกษาล่าสุดจาก Battery University ในปี 2023 การจำกัดแรงดันไฟฟ้าขณะชาร์จไว้ที่ประมาณ 3.92 โวลต์ต่อเซลล์ ซึ่งเทียบเท่ากับประจุประมาณ 65% จะทำให้แบตเตอรี่มีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเดิมมาก ก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่ แทนที่จะได้เพียง 300 ถึง 500 รอบเมื่อชาร์จเต็มที่ที่ระดับ 4.2 โวลต์ต่อเซลล์ วิธีนี้สามารถยืดอายุการใช้งานได้ถึงประมาณ 2,400 รอบ สิ่งที่ทำให้วิธีนี้ได้ผลดีคือ ช่วยป้องกันปัญหาใหญ่สองประการที่ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลง ได้แก่ การเคลือบลิเทียมที่ขั้วลบ (anode) และการออกซิเดชันที่เกิดในวัสดุขั้วบวก (cathode) กระบวนการเหล่านี้คือสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่ส่วนใหญ่เสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไป
| ระดับการชาร์จ (โวลต์/เซลล์) | ช่วงอายุการใช้งาน (จำนวนรอบ) | การรักษากำลังไฟฟ้า |
|---|---|---|
| 4.20 (100% SOC) | 300–500 | 100% |
| 3.92 (65% SOC) | 1,200–2,000 | 65% |
ผู้ที่ใส่ใจอายุการใช้งานของแบตเตอรี่มากกว่าการใช้พลังงานให้หมดเกลี้ยงจากอุปกรณ์ของตน อาจควรพิจารณาเก็บระดับประจุไว้ระหว่าง 25% ถึง 75% วิธีนี้ช่วยลดการเปลี่ยนแปลงแรงดันรายวันลงประมาณ 35% ซึ่งจะช่วยชะลอการเจริญเติบโตของชั้น SEI บนเซลล์แบตเตอรี่ ชั้น SEI คือสิ่งที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพตามเวลา โดยแน่นอนว่าวิธีนี้หมายถึงการยอมสละความจุที่ใช้ได้ไปประมาณ 15 ถึง 20% ณ เวลานั้น แต่สำหรับอุปกรณ์ที่ไม่ได้ใช้งานตลอดทั้งวัน เช่น ระบบไฟฟ้าสำรองหรืออุปกรณ์ที่ใช้ตามฤดูกาล ผลตอบแทนที่ได้นั้นคุ้มค่าอย่างมาก การทดสอบบางอย่างแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่เหล่านี้สามารถจ่ายพลังงานรวมได้มากถึงสามเท่าตลอดอายุการใช้งาน เมื่อทำงานในช่วงที่แคบลงนี้
เมื่อแบตเตอรี่ลิเธียมถูกเก็บไว้ที่ระดับประจุไฟฟ้ามากกว่า 80% เป็นระยะเวลานาน จะมีแนวโน้มเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติอย่างมาก เนื่องจากความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นพร้อมกับการสะสมความร้อนภายในเซลล์ การศึกษาทางวิทยาศาสตร์พบว่า การชาร์จจนเต็ม 100% ที่ระดับแรงดัน 4.2 โวลต์ต่อเซลล์ ทำให้อายุการใช้งานของแบตเตอรี่สั้นลงครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับการชาร์จให้อยู่ที่ประมาณ 4.0 โวลต์ ในอุปกรณ์จริง เช่น สมาร์ทโฟน ผู้ใช้ที่ชาร์จโทรศัพท์ทุกวันจนถึง 100% อาจพบว่าหลังจาก 12 เดือน แบตเตอรี่สามารถเก็บประจุได้เพียงประมาณ 73% ของความจุเดิม แต่หากอีกคนมีนิสัยหยุดชาร์จที่ 80% แบตเตอรี่โทรศัพท์ของพวกเขาจะยังคงทำงานได้มีประสิทธิภาพมากกว่า 90% แม้หลังจากใช้งานเป็นประจำมาตลอดหนึ่งปี
การคายประจุบางส่วนช่วยลดแรงกดดันต่อวัสดุแบตเตอรี่ โดยการลดความเครียดทางกลระหว่างรอบการชาร์จและปล่อยประจุ การใช้งานแบบตื้น (เช่น ปล่อยประจุ 20–40% ก่อนชาร์จใหม่) จะจำกัดการขยายและหดตัวของขั้วไฟฟ้า ในขณะที่รอบการใช้งานลึกจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอย่างรุนแรงมากขึ้น ซึ่งส่งเสริมการแตกร้าวของแคโทดและความไม่เสถียรที่ผิวสัมผัสอิเล็กโทรไลต์
การศึกษาแสดงให้เห็นว่า แบตเตอรี่ที่ถูกใช้งานจนหมดความจุ (DoD 100%) จะสูญเสียความจุ เร็วกว่าสามเท่า เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ใช้งานที่ระดับ 50% DoD แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในอุตสาหกรรมสะท้อนให้เห็นถึงประเด็นนี้ โดยเน้นการคายประจุบางส่วนเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของโครงตาข่ายในวัสดุที่ใช้งาน
ความสัมพันธ์ระหว่างความลึกของการคายประจุและอายุการใช้งานมีแนวโน้มเป็นแบบลอการิธึม:
| ระดับการปล่อยประจุ (DOD) | อายุการใช้งานเฉลี่ย (ลิเธียม-ไอออน) |
|---|---|
| 100% | 300–500 รอบ |
| 80% | 600–1,000 รอบ |
| 50% | 1,200–2,000 รอบ |
| 20% | มากกว่า 3,000 รอบ |
การคายประจุของแบตเตอรี่ที่อยู่ประมาณ 50% ของความลึกในการคายประจุนั้นจริงๆ แล้วช่วยปกป้องโครงสร้างผลึกภายในขั้วแคโทดที่ทำจากนิกเกิล-แมงกานีส-โคบอลต์ และช่วยรักษาความเสถียรในระดับไอออนิก งานวิจัยเมื่อปีที่แล้วแสดงให้เห็นผลลัพธ์ที่น่าสนใจเช่นกัน เมื่อใช้แบตเตอรี่ที่ประมาณครึ่งหนึ่งของความจุ จะยังคงรักษากำลังไฟฟ้าไว้ได้ประมาณ 92% ของกำลังเดิม แม้จะผ่านการชาร์จไปแล้ว 1,000 รอบ แต่เมื่อผู้คนปล่อยให้แบตเตอรี่หมดจนหมดทุกครั้ง แบตเตอรี่ชนิดเดียวกันนี้สูญเสียความจุไปเกือบ 40% ภายในรอบที่ 400 เท่านั้น ซึ่งแตกต่างกันอย่างมาก สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง เช่น อุปกรณ์ทางการแพทย์เพื่อช่วยชีวิต หรือการเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ การใช้งานแบบคายประจุตื้น (shallow cycling) วิธีนี้คุ้มค่าในระยะยาวอย่างแท้จริง
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมักเสื่อมสภาพเร็วที่สุดเมื่อถูกเก็บไว้ที่ระดับแรงดันสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ประมาณ 4.2 โวลต์ต่อเซลล์ ตามการศึกษาเมื่อไม่นานมานี้ พบว่าการรักษาระดับประจุของแบตเตอรี่ไว้ระหว่าง 20% ถึง 80% จะช่วยลดความเครียดทางเคมีภายในเซลล์แบตเตอรี่ลงได้ประมาณสองในสาม เมื่อเทียบกับการชาร์จจากหมดจนเต็ม (ตามที่ระบุไว้ในการศึกษาแบตเตอรี่อุตสาหกรรมเจฟเฟอร์สัน วิสคอนซิน ในปี 2023) แม้แต่การชาร์จเกินเพียงช่วงเวลาสั้น ๆ ก็อาจทำให้อุณหภูมิภายในสูงขึ้นถึงระดับอันตราย ซึ่งจะเพิ่มโอกาสเกิดเหตุการณ์ร้ายแรงที่เรียกว่า thermal runaway การชาร์จเกินไปนาน ๆ ยังคงทำให้สารละลายอิเล็กโทรไลต์ภายในแบตเตอรี่เสื่อมสภาพได้ แม้ว่าเครื่องชาร์จใหม่หลายรุ่นจะเปลี่ยนไปใช้โหมดชาร์จช้าโดยอัตโนมัติเมื่อถึงประมาณ 80% แล้วก็ตาม ดังนั้นผู้ใช้งานที่ฉลาดมักจะถอดปลั๊กอุปกรณ์ออกก่อนที่มาตรวัดจะแสดงว่าเต็มทั้งหมด
ความร้อนเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพ สำหรับทุกๆ 8°C (15°F) ที่สูงกว่า 35°C (95°F) อัตราการเสื่อมสภาพจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า การศึกษาของห้องปฏิบัติการแห่งชาติไอดาโฮ (2022) แสดงให้เห็นว่า แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้งานที่อุณหภูมิ 40°C สูญเสียความจุไป 50% ในจำนวนรอบการชาร์จที่ลดลงครึ่งหนึ่ง เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ทำงานที่ 20°C มาตรการป้องกันพื้นฐานสามารถช่วยได้:
ที่ชาร์จคุณภาพต่ำมักขาดระบบควบคุมแรงดันที่เหมาะสม ทำให้แบตเตอรี่ต้องเผชิญกับแรงดันที่ผันผวนและก่อให้เกิดความเสียหาย รายงานอุตสาหกรรมปี 2024 เปิดเผยว่า 78% ของที่ชาร์จ USB-C ที่ไม่ได้รับการรับรอง มีแรงดันเกินขีดจำกัดที่ปลอดภัยมากกว่า 10% เพื่อปกป้องสุขภาพของแบตเตอรี่ ควรเลือกที่ชาร์จที่มี:
ความเข้าใจผิดนี้มีต้นกำเนิดมาจากแบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียมรุ่นเก่า ซึ่งมีปัญหาเรื่อง "เอฟเฟกต์ความจำ" แต่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสมัยใหม่ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อมีการชาร์จบ่อยครั้งและชาร์จเพียงบางส่วน การคายประจุลึกจะเพิ่มความเครียดทางเคมีไฟฟ้าและเร่งการสูญเสียความจุ ตัวอย่างเช่น การใช้งานที่ชาร์จระหว่าง 40% ถึง 80% จะช่วยลดการเสื่อมสภาพลง 30% เมื่อเทียบกับการชาร์จเต็มจาก 0% ถึง 100%
ระบบจัดการแบตเตอรี่สมัยใหม่สามารถป้องกันการชาร์จเกินได้ แต่การคงระดับแบตเตอรี่ไว้ที่ 100% เป็นเวลานาน โดยเฉพาะการชาร์จข้ามคืน ยังคงสร้างความเครียดเพิ่มเติมให้กับส่วนประกอบทางเคมีภายใน ผลการทดสอบจากภาพถ่ายความร้อนในปี 2023 ยังเปิดเผยข้อมูลที่น่าสนใจอีกด้วย พบว่าแบตเตอรี่ที่ยังคงเสียบปลั๊กทิ้งไว้ขณะนอนหลับผ่านคืน มีอุณหภูมิภายในสูงกว่าประมาณ 8 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ชาร์จแบบระยะสั้นๆ หลายครั้งในระหว่างวัน ส่วนใหญ่พบว่า การถอดปลั๊กเมื่ออุปกรณ์ชาร์จได้ประมาณ 80 ถึง 90 เปอร์เซ็นต์ จะให้ผลดีที่สุดสำหรับการใช้งานประจำวัน แนวทางนี้ช่วยลดระยะเวลาที่เซลล์แบตเตอรี่ต้องอยู่ภายใต้สภาวะแรงดันสูง ซึ่งจะช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ในระยะยาว
การคายประจุในระดับตื้นช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้อย่างมาก—การคายประจุลึก 50% ให้จำนวนรอบการชาร์จได้ประมาณสองเท่าของกรณีคายประจุเต็ม การปรับเปลี่ยนพฤติกรรมตามนี้จะช่วยได้:
การชาร์จเร็วสร้างความร้อนได้มากกว่าการชาร์จปกติถึง 40% ซึ่งเพิ่มความเครียดจากความร้อนต่อวัสดุขั้วบวก การทดสอบการเสื่อมสภาพอย่างเร่งทำให้เห็นว่าสิ่งนี้สามารถทำให้ชิ้นส่วนเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ 2.3 เท่า ควรใช้การชาร์จเร็วเฉพาะเมื่อจำเป็นเท่านั้น และถอดเคสป้องกันออกในระหว่างการชาร์จความเร็วสูงเพื่อช่วยระบายความร้อนได้ดีขึ้นและรักษาความสมบูรณ์ของแบตเตอรี่