By Pawoot Pongvitayapanu Pom History of Dry Cell Battery
Jul 07, 2015
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