แบตเตอรี่

แบตเตอรี่ () เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบด้วย เซลล์ไฟฟ้าเคมี หนึ่งเซลล์หรือมากกว่า ที่มีการเชื่อมต่อภายนอกเพื่อให้กำลังงานกับอุปกรณ์ไฟฟ้า แบตเตอรี่มี ขั้วบวก () และ ขั้วลบ () ขั้วที่มีเครื่องหมายบวกจะมีพลังงานศักย์ไฟฟ้าสูงกว่าขั้วที่มีเครื่องหมายลบ ขั้วที่มีเครื่องหมายลบคือแหล่งที่มาของอิเล็กตรอนที่เมื่อเชื่อมต่อกับวงจรภายนอกแล้วอิเล็กตรอนเหล่านี้จะไหลและส่งมอบพลังงานให้กับอุปกรณ์ภายนอก เมื่อแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับวงจรภายนอก สาร อิเล็กโทรไลต์ มีความสามารถที่จะเคลื่อนที่โดยทำตัวเป็นไอออน ยอมให้ปฏิกิริยาทางเคมีทำงานแล้วเสร็จในขั้วไฟฟ้าที่อยู่ห่างกัน เป็นการส่งมอบพลังงานให้กับวงจรภายนอก การเคลื่อนไหวของไอออนเหล่านั้นที่อยู่ในแบตเตอรี่ที่ทำให้เกิดกระแสไหลออกจากแบตเตอรี่เพื่อปฏิบัติงาน ในอดีตคำว่า "แบตเตอรี่" หมายถึงเฉพาะอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ แต่การใช้งานได้มีการพัฒนาให้รวมถึงอุปกรณ์ที่ประกอบด้วยเซลล์เพียงเซลล์เดียว

แบตเตอรี่ปฐมภูมิจะถูกใช้เพียงครั้งเดียวหรือ "ใช้แล้วทิ้ง"; วัสดุที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้าจะมีการเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรในช่วงปล่อยประจุออก () ตัวอย่างที่พบบ่อยก็คือ แบตเตอรี่อัลคาไลน์ ที่ใช้สำหรับ ไฟฉาย และอีกหลายอุปกรณ์พกพา แบตเตอรี่ทุติยภูมิ (แบตเตอรี่ประจุใหม่ได้) สามารถดิสชาร์จและชาร์จใหม่ได้หลายครั้ง ในการนี้องค์ประกอบเดิมของขั้วไฟฟ้าสามารถเรียกคืนสภาพเดิมได้โดยกระแสย้อนกลับ ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ตะกั่วกรด ที่ใช้ในยานพาหนะและแบตเตอรี่ ลิเธียมไอออน ที่ใช้สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเคลื่อนย้ายได้

แบตเตอรี่มาในหลายรูปทรงและหลายขนาด จากเซลล์ขนาดเล็กที่ให้พลังงานกับ เครื่องช่วยฟัง และนาฬิกาข้อมือ จนถึงแบตเตอรี่แบงค์ที่มีขนาดเท่าห้องที่ให้พลังงานเตรียมพร้อมสำหรับ ชุมสายโทรศัพท์ และ ศูนย์ข้อมูล คอมพิวเตอร์

ตามการคาดการณ์ในปี 2005 อุตสาหกรรมแบตเตอรี่ทั่วโลกสร้างมูลค่า 48 พันล้านดอลาร์สหรัฐในการขายในแต่ละปี ด้วยการเจริญเติบโตประจำปี 6%

แบตเตอรี่มีค่า พลังงานเฉพาะ (พลังงานต่อหน่วยมวล) ต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับ เชื้อเพลิง ทั้งหลาย เช่นน้ำมัน แต่ก็สามารถชดเชยได้บ้างโดยประสิทธิภาพที่สูงของมอเตอร์ไฟฟ้าในการผลิตงานด้านกลไกเมื่อเทียบกับเครื่องยนต์สันดาป

บทความหลัก: ประวัติความเป็นมาของแบตเตอรี่

การใช้ "แบตเตอรี่" เพื่ออธิบายกลุ่มของอุปกรณ์ไฟฟ้าสามารถย้อนหลังไปในสมัย เบนจาอัฟ แฟรงคลิน ผู้ซึ่งในปี 1748 ได้อธิบายกลุ่มของ หม้อเลย์เดน โดยอุปมาว่าเป็น แบตเตอรี่ของปืนใหญ่ (เบนจามิน แฟรงคลิน ยืมคำว่า "แบตเตอรี่" จากกองทัพที่หมายถึงอาวุธที่ทำงานด้วยกัน)

อาเลสซานโดร โวลตา ได้สร้างและได้อธิบายแบตเตอรี่ไฟฟ้าเคมีตัวแรก voltaic pile ในปี 1800. นี่เป็นชั้นซ้อนกันของแผ่นทองแดงและแผ่นสังกะสี คั่นโดยจานกระดาษชุ่มด้วยน้ำเกลือ มันสามารถผลิตกระแสที่คงที่ได้เป็นเวลานานทีเดียว โวลตาไม่ได้พอใจที่โวลเตจเกิดจากปฏิกิริยาเคมี เขาคิดว่าเซลล์ของเขาเป็นแหล่งพลังงานที่ใช้ไม่หมด และการกัดกร่อนที่กระทบต่อขั้วไฟฟ้าทั้งสองเป็นเพียงสิ่งรบกวน มากกว่าจะเป็นผลตามมาที่ไม่อาจเลี่ยงได้ของการปฏิบัติงานของพวกมัน อย่างที่ ไมเคิล ฟาราเดย์ แสดงให้เห็นในปี 1834.

แม้ว่าแบตเตอรี่ในช่วงต้นต้นจะมีประโยชน์อย่างมากสำหรับวัตถุประสงค์ด้านการทดลองก็ตาม แต่ในทางปฏิบัติแล้วแรงดันไฟฟ้าของพวกมันมีความผันผวนและพวกมันก็ไม่สามารถให้กระแสขนาดใหญ่ได้เป็นระยะเวลาอย่างต่อเนื่อง ส่วน เซลล์ของนีลล์ ที่คิดค้นได้ในปี 1836 โดยนักเคมีชาวอังกฤษ จอห์น เฟรเดอริก นีลล์ เป็นแหล่งผลิตไฟฟ้าในทางปฏิบัติครั้งแรก และกลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมและได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นแหล่งพลังงานสำหรับเครือข่าย โทรเลขไฟฟ้า เซลล์ของนีลล์ประกอบด้วยหม้อทองแดงที่เติมเต็มด้วยสารละลาย คอปเปอร์ซัลเฟต ที่แช่ด้วยภาชนะ ดินเผา เคลือบที่เติมเต็มด้วย กรดกำมะถัน และขั้วไฟฟ้าสังกะสี

เซลล์เปียกเหล่านี้ใช้อิเล็กโทรไลต์เป็นของเหลว ซึ่งมีแนวโน้มที่จะรั่วไหลและหกหากไม่ถือไปมาอย่างถูกต้อง หลายเซลล์ใช้โหลแก้วเพื่อยึดชิ้นส่วนของพวกมันไว้ ซึ่งทำให้พวกมันเปราะบาง ลักษณะเหล่านี้ทำให้เซลล์เปียกไม่เหมาะสมสำหรับการใช้ที่ต้องเคลื่อนย้ายไปมา เมื่อใกล้จุดสิ้นสุดของศตวรรษที่สิบเก้า การประดิษฐ์ขึ้นของ แบตเตอรี่เซลล์แห้ง ซึ่งได้แทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวด้วยสารที่เป็นของแข็งกว่า ทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าแบบพกพาสามารถทำได้ในทางปฏิบัติ

บทความหลัก: เซลล์ไฟฟ้าเคมี

แบตเตอรี่แปลงพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรง แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์แบบโวลตาได้มากกว่าหนึ่งเซลล์ แต่ละเซลล์ประกอบด้วยสอง ครึ่งเซลล์ ที่เชื่อมต่อเรียงกันเป็นแถวโดยสารอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีไอออนที่มีประจุลบ () และไอออนที่มีประจุบวก () ครึ่งเซลล์หนึ่งตัวจะมีอิเล็กโทรไลต์และขั้วลบ (อิเล็กโทรดที่แอนไอออนวิ่งเข้าหา); อีกครึ่งเซลล์หนึ่งจะมีอิเล็กโทรไลต์และขั้วบวก (อิเล็กโทรดที่แคทไอออนวิ่งเข้าหา Redox ปฏิกิริยา Redox เป็นตัวให้พลังงานกับแบตเตอรี่ แคทไอออนจะลดลง (อิเล็กตรอนมีการเพิ่ม) ที่แคโทดระหว่างการชาร์จประจุ ในขณะที่แอนไอออนจะถูกออกซิไดซ์ (อิเล็กตรอนจะถูกลบออก) ที่ขั้วบวกระหว่างการชาร์จ ในระหว่างการดีสชาร์จกระบวนการจะเป็นตรงกันข้าม ขั้วไฟฟ้าทั้งสองไม่ได้สัมผัสกัน แต่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าโดย อิเล็กโทรไลต์ เซลล์บางตัวใช้อิเล็กโทรไลต์แตกต่างกันสำหรับแต่ละครึ่งเซลล์ ตัวคั่นช่วยให้ไอออนไหลระหว่างครึ่งเซลล์ แต่จะช่วยป้องกันการผสมของอิเล็กโทรไลต์ทั้งสองด้าน

แต่ละครึ่งเซลล์มี แรงเคลื่อนไฟฟ้า (หรือ EMF) ที่กำหนดโดยความสามารถของมันในการขับกระแสไฟฟ้าจากภายในสู่ภายนอกของเซลล์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าสุทธิของเซลล์คือความแตกต่างระหว่าง EMFs ของครึ่งเซลล์ของมัน ดังนั้นหากขั้วไฟฟ้ามี EMFs = formula_1 และ formula_2 ดังนั้น EMF สุทธิจะเป็น formula_3; พูดอีกอย่าง EMF สุทธิคือความแตกต่างระหว่าง Reduction potential ของ ครึ่งปฏิกิริยา

แรงขับไฟฟ้าหรือ formula_4 ที่ตกคร่อม ขั้ว ของเซลล์เรียกว่า "แรงดันไฟฟ้า (แตกต่าง) ที่ขั้ว" และถูกวัดเป็น โวลต์ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ที่ไม่ใช่ทั้งกำลังชาร์จและดีสชาร์จเรียกว่า แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และเท่ากับ emf ของเซลล์. ผลจากความต้านทานภายใน แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ที่กำลังดีสชาร์จจึงมีขนาดเล็กกว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วของเซลล์ที่กำลังชาร์จก็จะมีมากเกินแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

เซลล์ในอุดมคติจะมีความต้านทานภายในเล็กน้อยจนตัดทิ้งได้ ดังนั้นมันจึงจะรักษาระดับแรงดันที่ขั้วให้มีค่าคงที่ที่เท่ากับ formula_5 จนหมดแรง แล้วลดลงไปอยู่ที่ศูนย์ ถ้าเซลล์ดังกล่าวสามารถรักษาระดับไว้ที่ 1.5 โวลต์และจัดเก็บประจุจำนวนหนึ่ง คูลอมบ์ จากนั้นเมื่อมันดีสชาร์จอย่างสมบูรณ์ มันควรจะทำงานได้ 1.5 จูล ในเซลล์ปกติ ความต้านทานภายในจะเพิ่มระหว่างการดีสชาร์จ และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดก็จะลดลงด้วยระหว่างการดีสชาร์จ ถ้าแรงดันไฟฟ้าและความต้านทานถูกวาดเป็นกราฟกับแกนเวลา รูปกราฟที่ได้มักจะเป็นเส้นโค้ง; รูปร่างของเส้นโค้งจะแปรไปตามคุณสมบัติทางเคมีและการจัดแจงภายใน

แรงดันไฟฟ้าที่พัฒนาขึ้นระหว่างขั้วไฟฟ้าของเซลล์จะขึ้นอยู่กับการปลดปล่อยพลังงานของปฏิกิริยาเคมีของขั้วไฟฟ้าและอิเล็กโทรไลต์ของมัน เซลล์แบบ อัลคาไลน์ และแบบ สังกะสีคาร์บอน มีปฏิกิริยาเคมีแตกต่างกัน แต่มี EMF ประมาณเดียวกันที่ 1.5 โวลต์; ในทำนองเดียวกัน เซลล์แบบ NiCd และแบบ NiMH จะมีเคมีที่แตกต่างกัน แต่มี EMF ประมาณเดียวกันที่ 1.2 โวลต์ การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้​​าเคมีที่สูงในปฏิกิริยาของสารประกอบ ลิเธียม จะเป็นผลให้เซลล์ลิเธียมมี EMF ที่ 3 โวลต์หรือมากกว่า

จากมุมมองของผู้ใช้แบตเตอรี่แบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้;
แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้ และ แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ไม่ได้ (ใช้แล้วทิ้ง) ซึ่งนิยมใช้อย่างแพร่หลายทั้งสองชนิด

แบตเตอรี่ใช้แล้วทิ้งเรียกอีกอย่างว่า เซลล์ปฐมภูมิ ใช้ได้ครั้งเดียว เนื่องจากไฟฟ้าที่ได้เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของสารเคมีเมื่อสารเคมีเปลี่ยนแปลงหมดไฟฟ้าก็จะหมดจากแบตเตอรี่ แบตเตอรี่เหล่านี้เหมาะสำหรับใช้ในอุปกรณ์ขนาดเล็กและสามารถเคลื่อนย้ายได้สะดวก ใช้ไฟน้อยหรือในที่ที่ห่างไกลจากพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับ

ในทางตรงกันข้ามแบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้หรือ เซลล์ทุติยภูมิ สามารถประจุไฟฟ้าใหม่ได้หลังจากไฟหมดเนื่องจากสารเคมีที่ใช้ทำแบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถทำให้กลับไปอยู่ในสภาพเดิมได้โดยการประจุไฟฟ้าเข้าไปใหม่ซึ่งอุปกรณ์ที่ใช้อัดไฟนี้เรียกว่า ชาร์เจอร์ หรือ รีชาร์เจอร์

แบตเตอรี่ชนิดประจุไฟฟ้าใหม่ได้ที่เก่าแก่ที่สุดซึ่งใช้อยู่จนกระทั่งปัจจุบันคือ "เซลล์เปียก" หรือแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (lead-acid battery) แบตเตอรี่ชนิดนี้จะบรรจุในภาชนะที่ไม่ได้ปิดผนึก (unsealed container) ซึ่งแบตเตอรี่จะต้องอยู่ในตำแหน่งตั้งตลอดเวลาและต้องเป็นพื้นที่ที่ระบายอากาศได้เป็นอย่างดี เพื่อระบายก๊าซ ไฮโดรเจน ที่เกิดจากปฏิกิริยาและแบตเตอรี่ชนิดจะมีน้ำหนักมาก

รูปแบบสามัญของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด คือแบตเตอรี่ รถยนต์ ซึ่งสามารถจะให้พลังงานไฟฟ้าได้ถึงประมาณ 10,000 วัตต์ในช่วงเวลาสั้น ๆ และมีกระแสตั้งแต่ 450 ถึง 1100 แอมแปร์ สารละลายอิเล็กโตรไลต์ของแบตเตอรี่คือ กรดซัลฟิวริก ซึ่งสามารถเป็นอันตรายต่อผิวหนังและตาได้ แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดที่มีราคาแพงมากเรียกว่า แบตเตอรี่เจล (หรือ "เจลเซลล์") 
ภายในจะบรรจุอิเล็กโตรไลต์ประเภทเซมิ-โซลิด (semi-solid electrolyte) ที่ป้องกันการหกได้ดี และแบตเตอรี่ชนิดอัดไฟใหม่ได้ที่เคลื่อนย้ายได้สะดวกกว่าคือประเภท "เซลล์แห้ง" ที่นิยมใช้กันในโทรศัพท์มือถือและคอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก เซลล์ของแบตเตอรี่ชนิดนี้คือ