[slide] ประวัติของถ่ายไฟฉาย แบ็ตเตอรี่...

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

History of Dry Cell Battery


Agenda• What’s Battery?• Type of Dry Cell Battery• Next Generation of Battery

Innovation• Type of Innovation by Theory• Concludsion


Comment from Prof.

• ไมตองเนนประวตศาสตรมาก ควรใชทฤษฎดานการสงเคราะหนวตกรรมเพอวเคราะหแตละครงทมการคนพบ

เทคโนโลยใหม ( ตามท Highlight ใน timeline)

• นวตกรรมทเกดขนมลกษณะเดนอะไรบาง อาจใช S-curve เพอวเคราะหวา เทคโนโลย dry cell ควรจะม S-cureve กเสน และควรใชตวชวดใดมาเปรยบเทยบรดบ

ของนวตกรรมในแกน y ของ S-curve


ถานไฟฉายคออะไร?

ถานไฟฉาย เปนเซลลไฟฟาเคมทไมใชสารละลายทเปนของเหลว จงเรยกวา เซลลแหง(Dry cell) ผทสรางเซลลไฟฟาเคมชนดนคอ เลอคงเช (George Leclanché) ในป1866 ดงนนจงอาจเรยกอกชอหนงวา เซลลเลอคงเช (Leclanché cell)

จอด เลอคงเช George Leclanché

แอมโมเนยมคลอไรด และ แมงกานสไดออกไซด

แทงคารบอน

กลองสงกระส (ขวลบ)


เม อใช ถานไปนานๆ ทำาไมไฟจงหมด?

เมอใชไปนาน ๆ ปฏกรยาเคมจะเกดนอยลง ( ความตางศกยลดลง ) เนองจากสารเคม ทใชทำาปฏกรยาเคมเหลอนอยลง ขณะเกดปฏกรยาเคมจะมนำาเกดขน ดงนนเมอใช

งานไปนาน ๆ ถานไฟฉายจะบวม เยม เปยก แสดงวา ถานเสอมสภาพ ควรเลกใช เพราะมสารทเปนอนตรายตอรางกาย แมงกานสไดออกไซด (MnO2) เปนสารทม

อนตรายถาเขาสรางกายจะไปทำาลายระบบประสาทของรางกา

5-5


250 BC to AD 250 - Baghdad Battery

• ขดคนพบทมองแบกแดด(Baghdad) ประเทศอรก สรางขนในยคเมโสโปเเมย(Mesopotamia)

• เปนไหดนเหนยว สง 13 x 1.25 เซนตเมตร• ภายในบรรจดวยทอทองแดง ทนำาแผนทองแดงมามวน ภายในทอทองแดง มแทง

เหลกใสไว ปากไหอดไวดวยยางมะตอย (Asphalt) ภายในไหจะใสอของเหลวทม ความเปนกรด เชน นำาสมสายช หรอ นำามะนาว เมอของเหลวทมความทเปนกรด

สมผสกบ ทองแดง และ เหลก จะเกดกระแสไฟฟาขน แบกแดดแบตเตอรร สามารถ สรางกระแสไฟฟาได 1.5 - 2 โวลท

• มไวเพอใชเปนอปกรณทางการแพทยมไวใชสำาหรบ ใชจเพอบรรเทาอาการปวด จากโรคเกาท


กอนจะมาเป นถ านไฟฉาย

5-7

1747 เบนจาม น แฟรงคลน (Benjamin Franklin) นกวทยาศาสตรชาวอเมรกนไดคนพบไฟฟาในอากาศขน โดยเขาไดทำาการทดลองนำาวาวซงมกญแจผกตดอยกบสายปานขนในอากาศขณะทเกดพายฝน และเปนผกำาหนดคำาวา “ แบตเตอร (Battery)” ขนมาจากการทดลองของเคา

1790 วอลตา (Volta) นกวทยาศาสตรชาวอตาเลยนคนพบไฟฟาทเกดจากปฏกรยาเคม โดยนำาทองแดงกบสงกะสจมในนำายาเคม เชนกรดกำามะถนหรอกรดซลฟวรก โลหะสองชนดจะทำาปฏกรยาทางเคมกบนำายาเคมทำาใหเกดไฟฟาขนได เรยกการทดลองนวา วอลเทอก เซลล (Voltaic Cell) ซงตอมาภายหลงววฒนาการมาเปน “ เซลลแห ง (Dry Cell) หรอ ถานไฟฉาย” และเซลลเปยกหรอแบตเตอร


Slide ท 8

5-8


Type of Dry CellPrimary Cell (ใชคร งเดยวทง)•1866 ถานคารบอนเคลอบสงกะส (Carbon-zinc cells)•1899 ถานอลคาไลนแบบใชแลวทง (Alkaline Battery)•1942 ถานเมอควร ถานกระดม (Mercury Battery)•1970 ถานลเธยม (Lithium Battery)

Secondary Cell (ชารตได )•1899 ถานนกเกลแคดเมยม (Nickel-cadmium Battery, Nicads)•1990 ถานนกเกลเมทอลไฮไดน (Nickel Metal Hydride Battery)•1991 ถานลเธยมไอออน (Lithium ion Battery)•1999 ถานลเธยมโพลเมอร (Lithium Polymer)


Primary Cell (ใชคร งเด ยวทง)

5-10


ถานคาร บอนเคลอบส งกะส

(Carbon-zinc cells)ถานไฟฉายรนแรกๆ ทไมสามารถรชารจได และในปจจบนกไดมถานประเภทอนๆ ออกมาแทนทจำานวนมาก ซงในเซลลนน จะใช manganese dioxide และ carbon เปนแคโทด , ใช zinc เปนแอโนด และใช zinc chloride หรอ ammonium chloride เปนสารละลายอเลกโทรไลท

ไมสามารถทำาการชารจได รวมทงความตางศกยจะลดลง เมอมการคายประจไปเรอยๆ


ยงจ ำาฉ นได ไหม?

5-12


5-13

http://www.youtube.com/watch?v=v9mMh_pSC6Y





ถานอ ลคาไลนแบบใชแล ว ทง

(Disposable alkaline cells)ใหพลงงานไดมากกวา ถานไฟฉายแบบเกา แตในระยะหลงเรมตระหนกกนถงปญหาทางดานสงแวดลอมอนเนองมาจากการใชถานอลคาไลนแบบใชแลวทงกนมากขน โดยทถานไฟฉายประเภทนมสารปรอทเปนสวนประกอบ ปรมาณการใชงานทนยมกนมากทำาใหเกดปญหาขยะมพษเพมมากขนทวโลก

AlkalineDisposable


ถานอ ลคาไลนร ชาร จ(Rechargeable alkaline)

AlkalineRechargeable ประสทธภาพของถานจะลดลงตามจำานวนการชารจ ถงแมจะดแลรกษาและชารจอยางดกตาม ดงนน เพอใหถานอลคาไลนรชารจมอายการใชงานยาวนานทสด จงควรรชารจถานอยางสมำาเสมอและอยาปลอยใหแบตเตอรหมดเกลยง และจำาเปนจะตองใชเครองชารจเฉพาะดวย


ถานล เธ ยม (Lithium cells)Li-

ionมอายการใชงานยาวนานมาก และยงสามารถใชงานในสภาพอากาศทหนาวเยนมากๆ ไดอกดวย แตเนองจากมนมสารซลเฟอรไดออกไซดเปนสวนประกอบ จงถกหามนำาขนเครองบนไมวาจะตดตวขนไปหรอใสในกระเปาเดนทางทโหลดไวใตเครอง


ถานเมอร ค วร กออกไซดถ านกระดม(Mercury battery) แบตเตอรหรอเซลลไฟฟาเคมทมประสทธภาพ การจายไฟฟาในอตราคงท สง โดยทวไปถานชนดนมขนาดเลก สามารถใหแรงดนไฟฟาประมาณ 1.35 โวลต ซงเหมาะสำาหรบอปกรณหรอเครองใชอยาง นาฬกาขอมอ เครองคดเลข เกมสกด ฯลฯ

ถานเมอรควรกออกไซดถกประดษฐขนในป ค.ศ. 1950 โดย แซมมวล รเบน (Samuel Ruben) นกประดษฐอสระ ถานเมอรควรกออกไซดสามารถใชสารเมอรควรกออกไซด ผสมสารแมงกานสได ออกไซด หรอใชเฉพาะสารเมอรควรกออกไซดเปนแคโทดอยางเดยวกได สำาหรบแอโนดจะใชสงกะสในรปโลหะผงเพอเพมพนทผวของการเกด ปฏกรยาเคมใหมากขน


Secondary Cell or Rechargeable battery (ชารตได )

5-18


ถานนกเก ลแคดเม ยมหร อ นแคด

(Nickel-cadmium cells, Nicads)

NiCdเปนถานทสามารถรชารจได เรมมใชครงแรกในชวงทศวรรษ 1950 (พ.ศ.2493) และสามารถจะรชารจใหมไดนบรอยครง แตมเมโมรเอฟเฟกต มขอดคอสามารถจายกระแสไดมาก , มคาความตางศกยคอนขางคงท และทนทาน ตอการใชงานหนกไดด แตในปจจบน ถานประเภทนมการผลตนอยลงเนองจาก ตนทนและวสดการผลตแพง รวมทงเปนอนตรายตอการสดดม (เนองจากแคดเมยม)อกดวย


ถานนกเก ล เมท ล ไฮไดร NI-MH (Nickel Metal Hydride)

NiMHมประสทธภาพอยตรงกลางระหวางถานนแคดและถานอลคาไลนรชารจ และสามารถชารจใหมไดหลายรอยครง ไมเกดเมโมรเอฟเฟกตเหมอนถานนแคด สามารถรชารจดวยตวเอง ประมาณ 1-4% ของพลงงานทเหลออยทกวน ไมสามารถเกบถาน NiMH เอาไวไดนานเทากบถานอนๆ


ถานล เธ ยมไอออนLi-ion (Lithium ion Battery)

Li-ion ไดเปลยนจากการใชลเธยมในรปของโลหะ มาเปนรปของไอออน

ความหนาแนนพลงงานของเซลลเธยมไอออน มคาสงกวาเซลชนดนเกลแคดเมยม 2 เทา แตขอจำากดคอเสยหายไดงาย ถาใชงานไมถกวธ จงจำาเปนตองมวงจรปองกนประกอบอยในแพคแบตเตอร เพอใหแบตเตอรทำางานอยในชวงทปลอดภย

ขอด ของล เธ ยมไอออน•ความหนาแนนพลงงานสง •ไมจำาเปนตองกระตนกอนใช หลงจากเกบเปนเวลานาน •มอตราการคายประจตวเองตำา •ไมตองดแลรกษามาก

ขดจ ำาก ดของล เธ ยมไอออน•จำาตองใชวงจรปองกนแรงดนและกระแสใหอยในเขตปลอดภย •มการเสอมอายตามเวลาแมวาจะไมมการใชงาน •อตราการจายกระแสไมสงมาก ไมเหมาะกบงานทใชโหลดหนกๆ


ถานล เธ ยมโพลเมอร Li-poly (Lithium Polymer Battery)

Li-poly ลเธยมโพลเมอร ใชฟลมคลายพลาสตกรวมกบอเลกโตรไลทชนดเจล

แทนทจะใชแผนเมมเบรนทมรพรน เปนตวสงผานไอออน ลเธยมโพลเมอรงายตอการผลต มความแขงแรง ปลอดภย และบาง สามารถทำาใหบางไดถง 1 มลลเมตร สามารถผลตใหเปนรปทรงตางๆ ไดตามความตองการของการใชงาน

ขอด •สามารถทำาใหบาง และเบามากๆ •ไมจำากดรปแบบ •นำาหนกเบา ใชเพยงหอแลวซลแบบงายๆ ไมตองใชตวถงโลหะ•ปลอดภย รบการชารจไฟเกนไดมากกวา

ขดจ ำาก ดของล เธยมโพล เมอร •ความหนาแนนพลงงานตำากวา และรอบการใชงานทตำากวาลเธยมไอออน •ราคาแพงกวา •ไมมขนาดมาตรฐานใหเลอก•อตราสวนคาใชจายตอพลงงานทเกบได มคาสงกวาลเธยมไอออน


ChargerNickel Cadmium Battery


Size of Battery

• D เปนถานไฟฉายขนาดใหญสด ขนาด 33 x 60 mm.

• C ทเรยกวา ขนาดกลาง มขนาด 25.8 x 50 mm. • AA ขนาดเลก มขนาด 14.5 x 49.5 mm. • AAA ขนาดเลกจว มขนาด 10.5 x 43.7 mm.• PP3 ขนาดสเหลยม มขนาด 48.5 x 26.5 mm.


Technology Improvement

5-27


5-28


What’s Next Generation of Dry Cell Battery

5-29

Graphene: the emergence of a new type of rechargeable battery

In October 2013, scientists claimed that: “Graphene has only recently been implemented as an electron conducting additive for lithium ion battery cathode materials. In current studies graphene is found to significantly improve cathode electrochemical performance.

Graphene anodes improving lithium-ion batteries with 2.83 times charge capacity than batteries made with standard graphene and an energy footprint that is ten times smaller than that of chemical vapour deposition graphene

By Pawoot Pongvitayapanu PomSource : The Yai dry-battery". The history of the battery. Battery association of Japan. Retrieved 2014-03-19.

Type of Innovation

5-30

Technology S-Curve

Pro

du

ct P

Capaci

ty (

mA

h)

1.6

– 0

.7 V

)

Time

Carbon Zinc

Carbon Zinc AlkalineAlkaline

1866

1999

2015

1899

1970

LithiumLithium

1991

Li-ionLi-ion Li-polyLi-poly GrapheneGraphene

1100 mAh

2700 mAh

NiCdNiCd

NiMHNiMH

1990

2900 mAh

1000 mAh

3000 mAh

3000 mAh

2700 mAh

1000 mAh2700 mAh

1100 mAh 3000 mAh

3000 mAh


Journal

http://arxiv.org/pdf/1107.0109.pdf


END5-32


5-33


5-34

[slide] ประวัติของถ่ายไฟฉาย แบ็ตเตอรี่...

Education