By Pawoot Pongvitayapanu Pom

History of Dry Cell Battery

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

Innovation• Type of Innovation by Theory• Concludsion

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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)

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

Slide ท 8

5-8

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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)

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

Primary Cell (ใชคร งเด ยวทง)

5-10

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

ยงจ ำาฉ นได ไหม?

5-12

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

5-13

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

ถานอ ลคาไลนแบบใชแล ว ทง

(Disposable alkaline cells)ใหพลงงานไดมากกวา ถานไฟฉายแบบเกา แตในระยะหลงเรมตระหนกกนถงปญหาทางดานสงแวดลอมอนเนองมาจากการใชถานอลคาไลนแบบใชแลวทงกนมากขน โดยทถานไฟฉายประเภทนมสารปรอทเปนสวนประกอบ ปรมาณการใชงานทนยมกนมากทำาใหเกดปญหาขยะมพษเพมมากขนทวโลก

AlkalineDisposable

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

ถานอ ลคาไลนร ชาร จ(Rechargeable alkaline)

AlkalineRechargeable ประสทธภาพของถานจะลดลงตามจำานวนการชารจ ถงแมจะดแลรกษาและชารจอยางดกตาม ดงนน เพอใหถานอลคาไลนรชารจมอายการใชงานยาวนานทสด จงควรรชารจถานอยางสมำาเสมอและอยาปลอยใหแบตเตอรหมดเกลยง และจำาเปนจะตองใชเครองชารจเฉพาะดวย

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

ถานล เธ ยม (Lithium cells)Li-

ionมอายการใชงานยาวนานมาก และยงสามารถใชงานในสภาพอากาศทหนาวเยนมากๆ ไดอกดวย แตเนองจากมนมสารซลเฟอรไดออกไซดเปนสวนประกอบ จงถกหามนำาขนเครองบนไมวาจะตดตวขนไปหรอใสในกระเปาเดนทางทโหลดไวใตเครอง

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

Secondary Cell or Rechargeable battery (ชารตได )

5-18

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

ChargerNickel Cadmium Battery

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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.

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

Technology Improvement

5-27

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

5-28

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

Journal

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

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

END5-32

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

5-33

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

5-34

By Pawoot Pongvitayapanu Pom

By Pawoot Pongvitayapanu Pom