ใช้แบต ลิเธียม LiPo และ Li-ion ในงาน DIY อย่างปลอดภัย

แบตลิเธียม 1 เซลล์ ทั้งแบบซองนิ่ม (LiPo) และแบบกระป๋อง (Li-ion) ทำงานในช่วงแรงดันประมาณ 3.0–4.2 V ใช้ได้ปลอดภัยถ้าทำสามอย่าง: ชาร์จด้วยวงจรชาร์จลิเธียมที่ถูกต้อง ใช้แบตหรือโมดูลที่มีวงจรป้องกัน และหยุดใช้ทันทีเมื่อแบตบวมหรือร้อนผิดปกติ บทนี้รวมตัวเลขที่ต้องรู้ และวิธีใส่แบตในกล่องที่พิมพ์เอง

เว็บนี้ทำงานที่แรงดันต่ำเท่านั้น แบตก้อนเล็กแรงดันไม่สูง แต่เก็บพลังงานไว้มากพอจะร้อนจนไฟไหม้ได้ถ้าลัดวงจรหรือเสียหาย จึงต้องเคารพมันเหมือนเครื่องมือร้อนบนโต๊ะ

แรงดันแต่ละค่าหมายถึงอะไร

แรงดัน (ต่อเซลล์)	ความหมาย
4.2 V	เต็ม ห้ามชาร์จเกินนี้
3.7 V	แรงดันระบุ (nominal) ค่าเฉลี่ยระหว่างใช้ ที่พิมพ์บนตัวแบต
ราว 3.4 V	ถือว่าหมด ควรชาร์จ
ราว 3.0 V	วงจรป้องกันตัดไฟ
ต่ำกว่า 2.0 V นานเกิน 1 สัปดาห์	Battery University แนะนำให้ทิ้ง ไม่ชาร์จกลับ

ตัวเลขข้างบนเป็นของเซลล์ทั่วไปแบบ 3.7 V / 4.2 V ยังมีเคมีอื่น เช่น เซลล์ที่ชาร์จเต็ม 4.35 V หรือรุ่นเก่า 4.1 V ซึ่งต้องใช้วงจรชาร์จที่ตรงกัน Adafruit เตือนว่าใช้วงจรชาร์จผิดแรงดันอาจทำให้แบตเสียถาวร หรือร้ายสุดคือไฟไหม้ ดูค่าจากฉลากหรือ datasheet ของแบตก่อนทุกครั้ง

LiPo ซองนิ่ม กับ Li-ion กระป๋อง

	LiPo (ซองนิ่ม)	Li-ion (กระป๋อง เช่น ทรงกระบอก)
เปลือก	ซองฟอยล์บาง นิ่ม	เปลือกแข็ง
น้ำหนักและขนาด	เบา บาง หลายขนาด	หนักกว่า ความจุมักสูงกว่า
จุดอ่อน	ถูกเจาะ ถูกกด ขอบคมทำให้เสียหายง่าย	เจาะยากกว่าเพราะเปลือกแข็ง
เหมาะกับ	ของเล่นเล็ก บางและเบา	งานที่ต้องการความจุมาก

เคมีเหมือนกัน กฎการชาร์จและแรงดันเหมือนกัน ต่างกันที่ความทนทานทางกายภาพ

วงจรป้องกันกับวงจรชาร์จ ไม่ใช่ของเดียวกัน

• วงจรป้องกัน (protection circuit) แผ่นวงจรเล็ก ๆ ที่มักบัดกรีติดหัวแบตแล้วพันเทปไว้ ตัดไฟเมื่อชาร์จเกินราว 4.2 V เมื่อใช้จนต่ำกว่าราว 3.0 V และเมื่อดึงกระแสเกิน (ราว 1–2C) แบตเปล่าที่ขายเป็นเซลล์ดิบ ไม่มี วงจรนี้ ต้องเช็กจาก datasheet หรือดูว่ามีแผ่นวงจรที่หัวแบตหรือไม่
• วงจรชาร์จ (charger) ชาร์จแบบสองช่วง ช่วงแรกจ่ายกระแสคงที่ ช่วงหลังคุมแรงดันไว้ที่ 4.20 V แล้วปล่อยให้กระแสลดลง หยุดเมื่อกระแสเหลือราว 3–5% ของความจุ แบตลิเธียมไม่รับการชาร์จค้าง (trickle charge) วงจรต้องตัดเมื่อเต็ม

สำหรับงาน DIY ให้เลือกโมดูลชาร์จที่ระบุว่ามีทั้งวงจรชาร์จลิเธียมและวงจรป้องกันบนบอร์ดเดียว หรือบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีช่องเสียบแบตและวงจรชาร์จในตัว

วงจรชาร์จกับวงจรป้องกันเป็นสองชั้นแยกกัน ชั้นหนึ่งทำงานพลาด อีกชั้นยังช่วยได้ อย่าตัดชั้นไหนทิ้ง

ตั้งกระแสชาร์จ: คำนวณจาก C

C คือกระแสที่เท่ากับตัวเลขความจุ แบต 1,000 mAh: 1C = 1,000 mA, 0.5C = 500 mA Battery University ระบุว่าแบตทั่วไปชาร์จที่ 0.5C–1C และผู้ผลิตแนะนำไม่เกิน 0.8C เพื่ออายุยาว โมดูลชาร์จหลายแบบตั้งกระแสด้วยตัวต้านทานบนบอร์ด ดูตารางในคู่มือของโมดูลนั้น

ตัวอย่าง ทีละขั้น

1. แบต LiPo 400 mAh ใส่ในรถของเล่น
2. โมดูลชาร์จตั้งมาจากโรงงานที่ 1,000 mA → 1,000 ÷ 400 = 2.5C เกินช่วงที่แนะนำ
3. เป้าหมาย 0.5C = 400 × 0.5 = 200 mA ต้องเปลี่ยนตัวต้านทานตั้งกระแสตามตารางของโมดูล ให้ได้ค่าใกล้ 200 mA โดยไม่เกิน
4. เวลาชาร์จช่วงกระแสคงที่ประมาณ 400 ÷ 200 = 2 ชั่วโมง บวกช่วงคุมแรงดันท้าย ๆ อีกพักหนึ่ง

อีกเลขที่ควรรู้: พลังงานในแบต = แรงดัน × ความจุ แบต 3.7 V 1,000 mAh เก็บ 3.7 × 1 = 3.7 Wh แบตก้อนเล็กแค่นี้ ถ้าปล่อยพลังงานออกมาเป็นความร้อนในเวลาสั้น ๆ ก็ร้อนพอจะไหม้ได้

ขณะชาร์จ

• ชาร์จที่อุณหภูมิห้อง ห้ามชาร์จในที่เย็นจัดถึงจุดเยือกแข็ง Adafruit ระบุว่าช่วงปลอดภัยโดยประมาณคือ 0–50 °C
• Battery University: ระหว่างชาร์จแบตควรเย็น อุ่นขึ้นราว 5 °C ตอนใกล้เต็มถือว่าปกติ ถ้าร้อนขึ้นเกิน 10 °C ให้หยุด
• วางบนพื้นที่ไม่ติดไฟ ไม่วางบนเบาะ ผ้า หรือกองกระดาษ อยู่ใกล้ ๆ ระหว่างชาร์จ

แบตบวม ร้อน หรือมีเสียงฟู่: หยุด

Battery University อธิบายว่าเซลล์ที่เสียอาจมีเสียงฟู่ บวม และรั่วของเหลวที่ติดไฟง่าย สิ่งที่ทำ

1. หยุดชาร์จ หยุดใช้ ย้ายออกห่างของติดไฟ ไปวางบนพื้นที่ไม่ติดไฟ
2. อย่าคิดว่าถอดสายชาร์จแล้วจะจบ เซลล์ที่เสียหายอาจยังลุกต่อได้
3. ถ้ามีควันหรือกลิ่นก๊าซ เปิดอากาศและออกจากห้อง ควันจากแบตเป็นพิษ ถ้ามีไฟหรือควันมาก โทรแจ้งดับเพลิง
4. ห้ามเจาะ กด หรือพยายาม “ปล่อยลม” ออกจากแบตบวม

ทิ้งแบตที่ใช้ไม่ได้: พันเทปฉนวนปิดขั้ว ใส่ถุงแยกก้อนละใบ แล้วนำไปจุดรับขยะอันตรายหรือจุดรับคืนแบตเตอรี่ในพื้นที่ ห้ามทิ้งรวมขยะทั่วไป (แนวทางจาก US EPA)

เก็บแบตระยะยาว

Battery University แนะนำเก็บที่ประจุราว 40% (40–50% ก็ได้) ซึ่งแบตลิเธียมจะวัดได้ราว 3.82 V ต่อเซลล์ เมื่อพักแบตแล้ว 90 นาที เก็บในที่เย็น อุณหภูมิที่แนะนำคือราว 15 °C ยิ่งร้อนยิ่งเสื่อมเร็ว ในตารางของ Battery University แบตเก็บที่ 25 °C หนึ่งปี เหลือความจุราว 96% ถ้าเก็บที่ 40% แต่เหลือราว 80% ถ้าเก็บเต็ม ไม่เก็บไว้ในรถกลางแดด

ใส่แบตในกล่องพิมพ์ 3 มิติ

กล่องที่ปิดสนิทกักความร้อนและไม่มีทางให้แบตขยายตัว แนวทางออกแบบที่ควรทำ

• เผื่อช่องว่างรอบแบต ไม่บีบแบตให้แน่นด้วยผนังหรือฝา แบตซองนิ่มต้องไม่ถูกกด
• ไม่มีขอบคมหรือปลายสกรูชี้เข้าหาแบต ลบมุมด้านในกล่อง ตรวจว่าสกรูยึดฝาไม่ยาวทะลุเข้าไปหาแบต
• ยึดสายไม่ให้ดึงที่หัวแบต จุดต่อสายกับแผ่นวงจรป้องกันเปราะ
• อย่าชาร์จในกล่องปิดสนิทโดยไม่มีคนดู ถ้าต้องชาร์จในกล่อง ทำช่องระบายและอยู่ใกล้ ๆ
• วัสดุกล่อง พลาสติกพิมพ์บางชนิดนิ่มลงที่อุณหภูมิไม่สูงนัก ดูคุณสมบัติแต่ละชนิดได้ในบทภาพรวมฟิลาเมนต์ และออกแบบระยะเผื่อให้พอดีตามบทพิมพ์กล่องให้บอร์ด

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• ใช้เซลล์ดิบไม่มีวงจรป้องกัน แล้วปล่อยให้บอร์ดดูดจนแบตต่ำกว่า 3.0 V
• ชาร์จแบตก้อนเล็กด้วยกระแสที่ตั้งไว้สำหรับก้อนใหญ่ (เกิน 1C)
• ต่อขั้วสลับ หรือปล่อยปลายสายเปลือยแตะกัน ลัดวงจรทันที
• ใช้แบตบวมต่อเพราะ “ยังติดอยู่”
• เก็บแบตเต็มไว้ในที่ร้อนหลายเดือน

แหล่งข้อมูล

• Li-Ion & LiPoly Batteries: Voltages — Adafruit Learning System
• Li-Ion & LiPoly Batteries: Protection Circuitry — Adafruit Learning System
• BU-409: Charging Lithium-ion — Battery University
• BU-304a: Safety Concerns with Li-ion — Battery University
• BU-702: How to Store Batteries — Battery University
• Used Lithium-Ion Batteries — US EPA