ให้ความรู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่โทรศัพท์

ผู้บริโภคและผู้ผลิตต่างเพิ่มความสนใจในเทคโนโลยีการชาร์จที่สะดวกสบายนี้ ละทิ้งการเล่นซอกับปลั๊กและสายเคเบิลไปเพียงแค่ตั้งโทรศัพท์ไว้บนฐานชาร์จโดยตรง การสร้างมาตรฐานของสถานีชาร์จและการรวมขดลวดเหนี่ยวนำในสมาร์ทโฟนรุ่นใหม่ๆ ทำให้มีการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในปี 2560 รถยนต์ 15 รุ่นประกาศรวมคอนโซลภายในรถยนต์สำหรับการชาร์จอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคแบบเหนี่ยวนำ เช่น สมาร์ทโฟน และในระดับที่ใหญ่กว่ามาก หลายคนกำลังพิจารณาที่จะชาร์จแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า การชาร์จแบบเหนี่ยวนำช่วยให้แหล่งพลังงานส่งพลังงานผ่านช่องว่างอากาศโดยไม่ต้องใช้สายเชื่อมต่อ แต่ปัญหาหลักประการหนึ่งของการชาร์จโหมดนี้คือปริมาณความร้อนที่ไม่พึงประสงค์และอาจสร้างความเสียหายที่สามารถสร้างขึ้นได้ มีแหล่งความร้อนหลายแหล่งที่เกี่ยวข้องกับระบบการชาร์จแบบเหนี่ยวนำ ทั้งในที่ชาร์จและอุปกรณ์ที่กำลังชาร์จ การให้ความร้อนเพิ่มเติมนี้ทำให้แย่ลงเนื่องจากอุปกรณ์และฐานชาร์จสัมผัสกันอย่างใกล้ชิด ความร้อนใดๆ ที่เกิดขึ้นในอุปกรณ์หนึ่งอาจถูกถ่ายโอนไปยังอีกอุปกรณ์หนึ่งโดยการนำความร้อนและการพาความร้อนอย่างง่าย ในสมาร์ทโฟน ขดลวดรับพลังงานจะอยู่ใกล้กับฝาหลังของโทรศัพท์ (ซึ่งโดยปกติจะไม่นำไฟฟ้า) และข้อจำกัดด้านบรรจุภัณฑ์ทำให้ต้องวางแบตเตอรี่ของโทรศัพท์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังในบริเวณใกล้เคียง ซึ่งมีโอกาสจำกัดในการกระจายความร้อนที่เกิดขึ้นในโทรศัพท์ หรือป้องกันโทรศัพท์จากความร้อนที่เกิดจากเครื่องชาร์จ มีการบันทึกไว้อย่างดีว่าแบตเตอรี่จะเสื่อมสภาพเร็วขึ้นเมื่อเก็บไว้ที่อุณหภูมิสูง และการสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงขึ้นจึงส่งผลต่อสภาวะสุขภาพ (SoH) ของแบตเตอรี่อย่างมีนัยสำคัญตลอดอายุการใช้งาน กฎทั่วไป (หรือมากกว่านั้นในทางเทคนิคคือสมการ Arrhenuis) คือสำหรับปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มเป็นสองเท่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นทุกๆ 10 °C ในแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาที่สามารถเกิดขึ้นได้รวมถึงอัตราการเติบโตที่เร่งขึ้นของชั้นฟิล์ม (สารเคลือบเฉื่อยบาง ๆ ที่ทำให้พื้นผิวด้านล่างไม่เกิดปฏิกิริยา) บนขั้วไฟฟ้าของเซลล์ สิ่งนี้เกิดขึ้นจากปฏิกิริยารีดอกซ์ของเซลล์ ซึ่งเพิ่มความต้านทานภายในเซลล์อย่างไม่สามารถย้อนกลับได้ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลงและล้มเหลวในที่สุด แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 30 °C โดยทั่วไปจะถือว่าอยู่ในอุณหภูมิสูง ทำให้แบตเตอรี่เสี่ยงต่ออายุการใช้งานที่สั้นลง หลักเกณฑ์ที่ออกโดยผู้ผลิต แบตเตอรี่ ยังระบุด้วยว่าช่วงอุณหภูมิการทำงานสูงสุดของผลิตภัณฑ์ไม่ควรเกินช่วง 50?60 °C เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดก๊าซและความล้มเหลวอย่างรุนแรง ข้อเท็จจริงเหล่านี้ทำให้นักวิจัยของ WMG ทำการทดลองเปรียบเทียบอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในการชาร์จแบตเตอรี่ปกติด้วยสายกับการชาร์จแบบเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตาม WMG สนใจการชาร์จแบบเหนี่ยวนำมากกว่าเมื่อผู้บริโภควางโทรศัพท์ผิดตำแหน่งบนฐานชาร์จ เพื่อชดเชยการวางตำแหน่งโทรศัพท์และที่ชาร์จที่ไม่ดี ระบบชาร์จแบบเหนี่ยวนำโดยทั่วไปจะเพิ่มพลังงานของเครื่องส่งสัญญาณและ/หรือปรับความถี่ในการทำงาน ซึ่งจะทำให้สูญเสียประสิทธิภาพเพิ่มเติมและเพิ่มความร้อน การวางแนวที่ไม่ตรงนี้อาจเกิดขึ้นได้บ่อยมาก เนื่องจากตำแหน่งจริงของเสารับสัญญาณในโทรศัพท์นั้นไม่ง่ายหรือชัดเจนสำหรับผู้ใช้โทรศัพท์เสมอไป ดังนั้นทีมวิจัยของ WMG จึงทดสอบการชาร์จโทรศัพท์ด้วยการวางแนวที่ไม่ถูกต้องของขดลวดตัวส่งและตัวรับ วิธีการชาร์จทั้งสามวิธี (แบบใช้สาย แบบเหนี่ยวนำแบบตั้งตรง และแบบเหนี่ยวนำแบบวางไม่ตรง) ได้รับการทดสอบด้วยการชาร์จพร้อมกันและการสร้างภาพความร้อนเมื่อเวลาผ่านไป เพื่อสร้างแผนที่อุณหภูมิเพื่อช่วยหาปริมาณผลกระทบจากความร้อน ผลการทดลองเหล่านั้นได้รับการตีพิมพ์ในวารสารACS Energy Lettersในบทความเรื่อง "ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับอุณหภูมิสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ Li-Ion: โหมดการชาร์จแบบเหนี่ยวนำกับโหมดการชาร์จหลักสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พกพา" ภาพกราฟิกในข่าวประชาสัมพันธ์นี้แสดงโหมดการชาร์จสามโหมด โดยยึดตาม (a) การชาร์จไฟ AC (การชาร์จด้วยสายเคเบิล) และการชาร์จแบบเหนี่ยวนำเมื่อขดลวด (b) อยู่ในแนวเดียวกันและ (c) อยู่ในแนวที่ไม่ตรง แผง i และ ii แสดงมุมมองที่สมจริงของโหมดการชาร์จพร้อมสแนปช็อตของแผนที่ความร้อนของโทรศัพท์หลังจากการชาร์จ 50 นาที ไม่ว่าจะชาร์จในโหมดใด ขอบด้านขวาของโทรศัพท์มีอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่สูงกว่าบริเวณอื่นๆ ของโทรศัพท์ และยังคงสูงขึ้นตลอดกระบวนการชาร์จ การสแกน CT ของโทรศัพท์แสดงให้เห็นว่าฮอตสปอตนี้เป็นที่ตั้งของเมนบอร์ด ในกรณีของโทรศัพท์ที่ชาร์จด้วยไฟหลักทั่วไป อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดภายใน 3 ชั่วโมงของการชาร์จไม่เกิน 27 °C ในทางตรงกันข้าม สำหรับโทรศัพท์ที่ชาร์จโดยการชาร์จแบบเหนี่ยวนำแบบชิด อุณหภูมิสูงสุดที่ 30.5 °C แต่จะค่อยๆ ลดลงในช่วงครึ่งหลังของระยะเวลาการชาร์จ ซึ่งคล้ายกับอุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดที่สังเกตได้ระหว่างการชาร์จแบบเหนี่ยวนำที่ไม่ตรงแนว ในกรณีของการชาร์จแบบเหนี่ยวนำที่ไม่ตรงแนว อุณหภูมิสูงสุดจะมีขนาดใกล้เคียงกัน (30.5 °C) แต่อุณหภูมินี้ไปถึงเร็วกว่าและคงอยู่นานกว่าที่ระดับนี้มาก (125 นาทีเทียบกับ 55 นาทีสำหรับการชาร์จแบบชิด) ที่น่าสังเกตอีกอย่างคือข้อเท็จจริงที่ว่ากำลังไฟฟ้าเข้าสูงสุดที่ส่งไปยังแท่นชาร์จนั้นสูงกว่าในการทดสอบโดยที่โทรศัพท์วางไม่ตรงแนว (11 วัตต์) มากกว่าโทรศัพท์ที่วางตรงแนวพอดี (9.5 วัตต์) นี่เป็นเพราะระบบการชาร์จจะเพิ่มพลังงานของเครื่องส่งสัญญาณภายใต้การวางแนวที่ไม่ถูกต้อง เพื่อรักษาพลังงานอินพุตเป้าหมายไปยังอุปกรณ์ อุณหภูมิเฉลี่ยสูงสุดของฐานชาร์จขณะชาร์จโดยวางไม่ตรงตำแหน่งอยู่ที่ 35.3 °C ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิที่ตรวจพบเมื่อโทรศัพท์อยู่ในแนวตรงถึง 2 องศา ซึ่งอยู่ที่ 33 °C นี่เป็นอาการของการเสื่อมประสิทธิภาพของระบบ โดยมีการสร้างความร้อนเพิ่มเติมซึ่งเป็นผลมาจากการสูญเสียอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังและกระแสน้ำวน