27/10/2024
สรุปการชาร์จเเบต NMC & LFP ครับ
ชาร์จอย่างไรให้ใช้ได้ยาวนาน
ก่อนอื่นต้องขอบอกว่า ต่อให้ไม่ทำตามสักข้อนี้เลย แบตเตอรี่ก็ยังใช้ได้นานอยู่ดี ดังนั้นสามารถใช้ได้ตามการใช้งานโดยไม่ต้องกังวล แต่ถ้าใครอยากรู้รายละเอียด มาลองอ่านกันต่อได้ครับ
อันที่จริงทุกวันนี้มีการวิจัยพัฒนาแบตเตอรี่ตลอดเวลา ทำให้ข้อปฏิบัติในปัจจุบัน ก็จะเปลี่ยนไปตามข้อมูลใหม่ ๆ ที่เกิดขึ้น อย่างเช่นไม่นานมานี้ เทสลา เปลี่ยน limit การชาร์จในการใช้งาน daily ของ NMC จาก 90% เป็น 80% ในปีที่แล้ว ดังนั้นสำหรับรถไฟฟ้าที่เทคโนโลยีมีการพัฒนาอยู่ตลอดเวลา สิ่งที่รู้วันนี้ พรุ่งนี้อาจจะต่างออกไปก็ได้
ล่าสุด คุณ Jason จาก Engineering Explained ได้นำผลงานวิจัยล่าสุดจาก Jeff Dahn's Lab (หนึ่งในผู้พัฒนาแบต NMC และเป็น Lab ที่ได้ทุนวิจัยจากเทสลา) เกี่ยวกับปัจจัยที่ทำให้แบตเสื่อม มาสรุปให้ฟังเป็นข้อปฏิบัติในการใช้แบตชนิด NMC และ LFP ซึ่งหลายข้อก็ตรงกับที่เข้าใจ แต่ก็มีบางข้อที่อาจจะขัดแย้งกับความเข้าใจในปัจจุบัน
ดังนั้นในบทความนี้จะลองสรุปเนื้อหาข้อปฏิบัติในการใช้งานให้ง่ายต่อความเข้าใจ และทำตามได้ง่ายขึ้นครับ
ก่อนจะไปถึงข้อปฏิบัติ เรามาดูสาเหตุที่ทำให้แบตเตอรี่เสื่อมกันก่อน
SEI (Solid Electrolyte Interphase) และ CEI (Cathode Electrolyte Interphase)
SEI นั้นเกิดจาก electrolyte ที่เป็นของเหลว จะทำปฏิกริยากับ Anode ที่เป็น graphite จนเกิด SEI ก่อตัวเป็น layer บาง ๆ ขึ้นที่ขั้ว Anode โดย SEI จะเกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในการชาร์จแบตเตอรี่ที่ผลิตใหม่ ในระหว่างการเกิดจะทำให้ Li+ หายไป 5-10% เลยทีเดียว แต่ขั้นตอนนี้เกิดที่โรงงาน ก่อนที่แบตเตอรี่จะถูกส่งให้ผู้ผลิต และหลังจากนั้นระหว่างการใช้งาน SEI จะเริ่ม stable และเกิดช้าลง จึงเป็นสาเหตุที่ว่า SOH จะลดลงเร็วในช่วงแรก ๆ และลดช้าลง แต่ถึงจะเกิดช้าลงแต่ก็ยังคงเกิดได้อยู่ และเมื่อ SEI หนามากขึ้น Li+ จะถูกใช้ไป และ Li+ ที่เหลือก็จะไม่สามารถเข้าไปที่ขั้ว Anode ได้ ส่งผลให้แบตเตอรี่เสื่อมถาวรนั่นเอง
ที่ขั้ว Cathode ก็จะเกิด layer คล้ายกัน แต่จะเรียกว่า CEI (Cathode Electrolyte Interphase) เกิดขึ้นเมื่อ Voltage สูง หรือการใช้งานที่ SOC สูง ๆ CEI มักจะเกิดขึ้นกับ NMC มากกว่าเพราะมี Voltage ที่สูงกว่า LFP
ในทางปฏิบัติเราไม่สามารถห้ามการเกิด SEI / CEI ได้ แค่ต้องการให้มันเกิดช้าที่สุดเท่านั้นเอง
ดังนั้นข้อปฏิบัติแต่ละข้อ มักจะเกี่ยวกับการก่อตัวของ CEI / SEI นี้ โดยจะแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับเคมีในแบตที่ใช้งาน โดยแบตเตอรี่ที่นิยมใช้ จะมีอยู่สองประเภทคือ NMC และ LFP
• NMC (Nickel Manganese Cobalt)
NMC นั้นเป็นสารประกอบที่ใช้ใน Cathode โดยมี Nickel Manganese Cobalt เป็นองค์ประกอบหลัก โดยมีสัดส่วนการใช้ Nickel ต่าง ๆ กัน เช่น NMC955 หรือ NMC811 โดยแรกตัวแรกเป็น % การใช้ Nickel เทียบกับแร่ชนิดอื่น ๆ NMC มีข้อดีคือความหนาแน่นสูง จึงนิยมใช้ในแบตที่ความจุสูง เพราะน้ำหนักน้อยนั่นเอง
ต่อไปนี้เป็นข้อที่ควรปฏิบัติสำหรับ NMC
1. ชาร์จที่ 80% ใช้งานทั่วไป 100% เฉพาะจำเป็น
เพราะที่ SOC ที่สูง จะเร่งการเกิดปฏิกริยาทำให้ CEI ก่อตัวมากขึ้น ทำให้ Li ลดน้อยลง จนทำให้ความจุลดลง
ดังนั้นในการใช้งาน แนะนำชาร์จต่ำที่สุดเท่าที่ใช้ได้อย่างไม่ลำบาก เช่น ถ้าไม่ได้ใช้เยอะ 75-80% แต่ถ้าจำเป็นต้องเดินทางไกล ชาร์จ 100% ไม่มีปัญหา ในต่างประเทศ มีบางเคสที่มีการชาร์จ 100% ตลอด แบตเตอรี่ก็ยังคงอยู่ได้นานหลายแสน กม.เช่นกัน
2. ชาร์จบ่อย ๆ ในช่วงแคบ ๆ ในช่วง SOC ต่ำ และอย่าปล่อยให้ต่ำโดยไม่จำเป็น
การชาร์จช่วงแคบ ๆ บ่อย ๆ ดีกว่าการชาร์จช่วงกว้างเพียงครั้งเดียว เช่นใช้งานในช่วง 60-80% หรือ 50-75%
ทั้งนี้ก็เพราะว่า ในขั้ว Cathode จะประกอบไปด้วยคริสตัลที่เป็นโครงสร้างเล็ก ๆ รวมกัน และโครงสร้างเหล่านั้นจะเกิดการขยาย และหดตัว ตามช่วงของการชาร์จ ยิ่งชาร์จในช่วง SOC กว้าง ยิ่งมีการขยาย และหดตัวมาก และเมื่อเกิดขึ้นบ่อยครั้งจะทำให้โครงสร้างเกิดรอยร้าว ส่งผลให้เกิด CEI ขึ้นในรอยร้าวที่มากขึ้น ทำให้ Li+ ลดลง และความจุลดลงนั่นเอง
โดยผลการทดลองระหว่างการชาร์จ 0-100% และ 40-60% ในปริมาณ kWh ที่เท่ากัน ปรากฏว่า 0-100% เสื่อมเร็วกว่าถึง 4 เท่า ดังนั้นในการใช้งานประจำวัน ชาร์จบ่อย ๆ แต่ถ้าต้องเดินทางไกล การใช้ช่วงกว้างเป็นครั้งคราว สามารถใช้ได้ครับ
3. กลับบ้านให้เสียบค้างไว้
ในทริปสั้น ๆ ลดต่ำลง ก็รีบชาร์จ การเสียบค้างไว้ทำให้เกิดการชาร์จในช่วงสั้น ๆ และเป็นการป้องกัน SOC ต่ำไปในตัว ดังนั้นให้ตั้ง limit การชาร์จไว้ที่ 75%-80% หรือต่ำที่สุดตามที่ยังพอใช้งานครับ
4. ไม่ได้ใช้นาน ให้เก็บที่ SOC ต่ำ 30-50%
อุณหภูมิสูง และอากาศร้อน รวมทั้ง Voltage สูง มีผลทำให้แบตเสื่อม เพราะเกิดการเร่งปฏิกริยาเคมีมากขึ้น ดังนั้นหากไม่ได้ใช้งานนาน ๆ เก็บ SOC ระหว่าง 30-50% จะดีที่สุด แต่หากอยู่ในที่หนาว การเกิดปฏิกริยาเคมีจะต่ำลง การเก็บที่ SOC สูงขึ้น ก็ยังอนุโลมได้
• LFP (Lithium Iron Phosphate)
แบตเตอรี่ชนิดนี้ จะมีขั้ว Cathode ที่ประกอบไปด้วย LiFePO4 หรือ Lithium, Iron, Phosphorus มีข้อดีคือความเสถียรของโครงสร้าง และทนความร้อน จึงเป็นแบตเตอรี่ที่ได้ชื่อว่าปลอดภัย และมีราคาถูก เหมาะกับเมืองร้อน ข้อเสียของ LFP คือความหนาแน่นต่ำ ทำให้มีน้ำหนักมากในความจุที่เท่า NMC ทำให้นิยมใช้แบตขนาดเล็ก แต่เทคโนโลยีของ LFP พัฒนามากขึ้นเรื่อย ๆ เชื่อว่าสุดท้ายจะมีความหนาแน่นได้เท่ากันหรือมากกว่า NMC
ต่อไปนี้เป็นข้อปฏิบัติสำหรับแบตเตอรี่ชนิด LFP
1. ชาร์จ 100% เป็นครั้งคราว
หลีกเลี่ยงการชาร์จ 100% แต่ให้ชาร์จ 100% เป็นครั้งคราว (เช่น Ford แนะนำอาทิตย์ละครั้ง) ข้อนี้เป็นคำแนะนำที่ดูขัดแย้ง ทำไมถึงเป็นเช่นนี้?
ถึง LFP จะทนต่อความร้อน และมี Voltage ที่ต่ำกว่า NMC ก็จริง แต่ความร้อน และ Voltage ก็ยังคงเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้แบตเสื่อมอยู่ดี เพียงแต่อาจจะเสื่อมช้ากว่า NMC เท่านั้น ดังนั้นจึงไม่ควรชาร์จที่ 100% อยู่ดี แต่สาเหตุที่ผู้ผลิต ยังคงแนะนำให้ชาร์จ 100% นั่นเป็นเพราะทำให้การบอกค่า SOC แม่นยำ
โดยปกติ การบอกค่า SOC ใน NMC จะใช้ Voltage เนื่องจากค่าแรงดันจะเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอ ตาม SOC ที่มากขึ้น ดังนั้นการอ่านค่า Voltage จึงสามารถบอก SOC ได้เบื้องต้นอย่างแม่นยำ
แต่สำหรับ LFP นั้น มี Voltage ที่ค่อนข้างคงที่ จึงทำให้การบอก SOC จาก Voltage นั้นทำได้ยาก และไม่แม่นยำ ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีอื่นแทน วิธีหนึ่งที่นิยมคือ Coulomb Counting หรือใช้วิธีการตรวจวัดกระแสที่วิ่งเข้าออกแทน แต่เมื่อใช้ไปสักระยะความแม่นยำจะลดลง ดังนั้นหากชาร์จ 100% จะเป็นการ reset การคำนวน ทำให้การอ่านค่า SOC กลับมาแม่นยำเหมือนเดิม ดังนั้นจึงเป็นสาเหตุที่ผู้ผลิตจึงแนะนำให้ชาร์จ 100% อาทิตย์ละครั้งนั่นเอง
2. หลีกเลี่ยงการใช้งานในช่วง SOC สูง ๆ
คำแนะนำข้อนี้อาจจะขัดกับความเข้าใจในปัจจุบัน ที่ว่า LFP ใช้ที่ SOC สูง ๆ ได้ แต่หากอ้างอิงจากงานวิจัยล่าสุดของ Jeff Dahn พบว่า การชาร์จช่วง 0-25% นั้นดีที่สุด ตามมาด้วย 0-60%, 0-80%, 0-100% และ 75-100% นั้นทำให้แบตเสื่อมเร็วสุด สาเหตุเป็นเพราะว่า ที่ SOC สูง จะเกิดการเร่งปฏิกริยาทำให้เกิด Side Reaction และ SEI เร็วขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงควรหลีกเลี่ยงการใช้ SOC ช่วงสูง ๆ
3. ใช้ให้ต่ำ แล้วค่อยชาร์จ
เนื่องจากผลการทดลองข้อที่แล้วว่าพบว่า การใช้งานช่วง 75-100% นั้น ทำให้เสื่อมเร็วที่สุด แต่การใช้งานช่วง 0-25% ที่ว่าดีที่สุด ก็ไม่เหมาะจะใช้จริง ดังนั้นช่วง 0-100% จะมีประโยชน์มากกว่า จึงแนะนำให้ใช้ช่วง SOC ให้ลึก และต่ำ แล้วค่อยชาร์จเลย จะดีกว่า และเสื่อมช้ากว่าการใช้ช่วง SOC สูง ๆ แคบ ๆ ดังนั้น จึงไม่ต้องชาร์จบ่อย ๆ ด้วยสาเหตุนี้
4. ไม่ได้ใช้นาน ให้รักษา SOC ที่ 50%
ข้อนี้ก็เหมือน NMC อุณหภูมิสูง และอากาศร้อน รวมทั้ง Voltage สูง มีผลทำให้แบตเสื่อม เพราะเกิดการเร่งปฏิกริยาเคมีมากขึ้น ดังนั้นหากไม่ได้ใช้งานนาน ๆ รักษา SOC 50% จะดีที่สุด
ทั้ง 4 ข้อนี้ก็เป็นข้อปฏิบัติสำหรับ NMC และ LFP ครับ ซึ่งสรุปได้สั้น ๆ อีกรอบดังนี้
NMC
- ชาร์จที่ 80% ใช้งานทั่วไป 100% เฉพาะจำเป็น
- ชาร์จบ่อย ๆ ในช่วงแคบ ๆ
- กลับบ้านให้เสียบค้างไว้ (ตั้ง limit ไว้ที่ 75-80%)
- ไม่ได้ใช้นาน ให้เก็บที่ SOC ต่ำ 30-50%
LFP
- ให้ชาร์จ 100% อาทิตย์ละครั้ง
- หลีกเลี่ยงการใช้ Cycle ในช่วง SOC สูง
- ใช้ให้ต่ำ แล้วค่อยชาร์จ
- ไม่ได้ใช้นาน เก็บที่ 50%
จากข้อจำกัดนี้จะเห็นว่า สิ่งที่ต่างกันของ NMC และ LFP ก็คือ ช่วงในการใช้งาน NMC แนะนำให้ชาร์จบ่อยใน SOC สั้น ๆ แต่ LFP ให้ใช้ให้ลึกชาร์จให้สูง (และชาร์จให้เต็มเป็นบางครั้ง) ดังนั้น NMC อาจจะเหมาะกับคนที่บ้านมี wall charge ที่กลับมาแล้วเสียบได้ ในขณะที่ LFP อาจจะเหมาะกับคนที่อยู่คอนโด ต้องออกไปชาร์จ DC เป็นต้นครับ
อย่างไรก็ตาม นี่เป็นข้อปฏิบัติที่แนะนำ เพื่อเป็นการถนอมแบตเตอรี่ให้ใช้งานได้ยาวนาน แต่ถึงจะไม่ได้ทำตามนี้ ก็ไม่ใช่เรื่องน่าหนักใจ เพราะแบตเตอรี่ในการใช้งานปกติ ก็ถือว่าทนมาก และยังจะใช้ได้นานเกินอายุรถอยู่ดีครับ
สุดท้าย หวังว่าบทความนี้จะมีประโยชน์ สำหรับผู้ที่ใช้รถไฟฟ้าอยู่นะครับ ถ้าชอบบทความแบบนี้ ฝากกดไลค์ กดติดตามเป็นกำลังใจด้วยครับ เพจเราไม่ได้โพสบ่อย จะพยายามเน้นสาระที่ไม่ได้มีให้อ่านที่อื่นครับ ขอบพระคุณครับ
อย่างไรก็ตามหากมีข้อมูลไหนผิดพลาด ชี้แจงพร้อมเหตุผลอย่างสุภาพได้ที่คอมเมนท์เลยครับ
ด้านล่างนี้เป็นแหล่งข้อมูล สำหรับบทความนี้ครับ
Citation:
Engineering Explained
• How To Ruin Your Electric Car's Battery - LFP Edition!
https://www.youtube.com/watch?v=w1zKfIQUQ-s&t=8s
• How To Ruin Your Electric Car's Battery - NMC Edition!
https://www.youtube.com/watch?v=w4lvDGtfI9U&t=363s
• What is the SEI,
https://www.youtube.com/watch?v=Yv-4Gbvbv6A
• How a Lithium Ion Battery Actually Works
https://www.youtube.com/watch?v=4-1psMHSpKs&t=8s
