โรงงานแบตเตอรี่ทหาร ตั้งอยู่บ้านเลขที่ 552 ถนนสรรพาวุธ แขวงบางนา เขตบางนา กรุงเทพฯ เป็นเนื้อที่ให้เช่าแปลงแรก ของสำนักงานทรัพย์สินส่วนพระมหากษัตริย์ มีพื้นที่กว่า 30 ไร่ สามารถเดินทางไปได้ โดยรถไฟฟ้า BTS สถานีอุดมสุข แล้วต่อรถสาธารณะไปตามถนนสุขุมวิท เลี้ยวขวาที่แยกบางนา เข้าสู่ถนนสรรพาวุธ และเลี้ยวขวาที่แยกสรรพาวุธ เข้าสู่ถนนทางรถไฟเก่าเพียง 200 เมตร ก็ถึงทางเข้าโรงงาน

 
รูปที่ 2   รูปปั้น พลเรือจัตวา ประยูร พิณสวัสดิ์ (ซ้าย) และแผ่นประกาศคำยึดมั่นของครอบครัว 552 ซึ่งเป็นบ้านเลขที่ของโรงงาน (ขวา)

โรงงานแบตเตอรี่ทหาร เป็นโรงงานผลิตแบตเตอรี่แห่งแรกของประเทศไทย มีรากฐานมาจาก “โรงซ่อมแบตเตอรี่” ที่มี พลเรือจัตวา ประยูร พิณสวัสดิ์ เป็นผู้ริเริ่มขึ้น โดยดำรงตำแหน่งเป็นหัวหน้าโรงซ่อมแบตเตอรี่ เมื่อวันที่ 14 สิงหาคม พ.ศ.2485 มีภารกิจซ่อมเปลี่ยนแบตเตอรี่เรือดำน้ำของกองทัพเรือที่ป้อมพระจุลจอมเกล้า ซึ่งภายหลังเปลี่ยนเป็น “โรงงานแบตเตอรี่และสี กรมอู่ทหารเรือ” ในวันที่ 21 มกราคม พ.ศ.2491 ต่อมาใน พ.ศ.2498 จึงเปลี่ยนเป็น “องค์การแบตเตอรี่” อยู่ภายใต้การดูแลของกระทรวงกลาโหม จนกระทั่งใน พ.ศ.2551 ได้เปลี่ยนชื่อหน่วยงานเป็น “โรงงานแบตเตอรี่ทหาร” มีวัตถุประสงค์เพื่อดำเนินการจัดตั้งโรงงานอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ และประกอบธุรกิจที่เกี่ยวกับหรือต่อเนื่องกับอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ โดยผลิตแบตเตอรี่เพื่อสนับสนุนการทหาร รวมถึงกิจการทางราชการต่างๆ เช่น การรถไฟ เป็นต้น นอกจากนี้ ในอดีต ยังมีการผลิตแบตเตอรี่เพื่อจำหน่ายให้ประชาชนทั่วไป เพื่อช่วยถ่วงดุลราคาแบตเตอรี่ในท้องตลาดให้มีความเหมาะสม ป้องกันการเอาเปรียบผู้บริโภคได้ แต่ในปัจจุบัน มีผู้ผลิตแบตเตอรี่จำนวนมาก ราคาแบตเตอรี่จึงถูกถ่วงดุลด้วยกลไกการตลาด บทบาทถ่วงดุลราคาของโรงงานแบตเตอรี่ทหารจึงไม่จำเป็นอีกต่อไป และเพื่อส่งเสริมภาคเอกชนต่างๆ โรงงานแบตเตอรี่ทหารจึงยุติการขายแบตเตอรี่ให้แก่ประชาชนทั่วไป

รูปที่ 3 ผลิตภัณฑ์จากโรงงานแบตเตอรี่ทหาร

โรงงานแบตเตอรี่ทหาร ผลิตแบตเตอรี่ชนิดตะกั่ว-กรด และผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวกับแบตเตอรี่ เช่น น้ำกรดผสมและน้ำกลั่น สำหรับเติมแบตเตอรี่ โดยมีเครื่องหมายการค้า POWER ซึ่งผลิตทั้งแบตเตอรี่รถยนต์ทั่วไปและที่ใช้เฉพาะในราชการทหาร ประเภทรถถัง รถสายพานลำเลียงพล รถบรรทุกต่าง ๆ ซึ่งเป็นผู้ผลิตรายเดียวในประเทศ นอกจากนี้ ยังผลิตแบตเตอรี่พิเศษ สำหรับแบตเตอรี่รถไฟ ที่ใช้สตาร์ทเครื่องยนต์หัวจักรรถไฟ ไฟส่องสว่าง และเครื่องปรับอากาศ โดยมีขนาด 6 และ 12 โวลต์ และความจุตั้งแต่ 35 - 200 แอมแปร์-ชั่วโมง หรือ Amp-hour (Ah)

     โรงงานแบตเตอรี่ทหารก่อตั้งมานานกว่า 60 ปี มีหน้าที่ผลิตแบตเตอรี่และผลิตภัณฑ์ที่เกี่ยวข้อง เพื่อสนับสนุนงานราชการทหาร สร้างความมั่นคงให้กับกองกำลังของชาติ ทั้งในยามสงบและในภาวะฉุกเฉิน นอกจากนี้ ยังเสริมสร้างความมั่นคงของการคมนาคมทางรถไฟให้มีเสถียรภาพ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญต่อความพัฒนาก้าวหน้าของประเทศไทยอย่างยั่งยืน

วีดิทัศน์เรื่องโรงงานแบบเตอรี่ทหาร

โรงงานแบตเตอรี่ทหารแห่งนี้ ผลิตแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด ซึ่งอาศัยปฏิกิริยาระหว่างสารเคมีที่ประกอบด้วยตะกั่ว (Lead: Pb) กับกรดซัลฟิวริกหรือกรดกำมะถัน (Sulfuric acid: H₂SO₄) ที่เจือจางด้วยน้ำ ภายในแบตเตอรี่แผ่นธาตุบวกและแผ่นธาตุลบ จะถูกแช่อยู่ในน้ำกรดซัลฟิวริกเจือจาง โดยแผ่นธาตุบวกและลบ จะประกอบด้วยผงตะกั่วบดผสมกับสารเคมีต่างๆ ดังนั้น การทำให้ผงธาตุบวกและลบมีลักษณะเป็นแผ่นได้ จำเป็นต้องใช้แผ่นโครงตาข่ายที่เรียกว่า แผ่นกริด (grid) ช่วยยึดธาตุบวกและลบให้เป็นแผ่น นอกจากนี้ แผ่นกริดยังทำหน้าที่นำกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีออกมาอีกด้วย

รูปที่ 1 ภายแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด

การหล่อแผ่นกริด เริ่มต้นด้วยการหลอมแท่งตะกั่วผสม (Lead Antimony Alloy) ที่แต่ละแท่งหนักเกือบ 30 กิโลกรัม หลอมด้วยอุณหภูมิกว่า 450 องศาเซลเซียส ก่อนที่จะเทเข้าแบบหล่อ (mold) โดยรักษาอุณหภูมิไว้ประมาณ 200 องศาเซลเซียส เพื่อป้องกันการแข็งตัวของตะกั่ว ซึ่งเป็นสาเหตุให้ลวดลายแผ่นกริดไม่สมบูรณ์ แผ่นกริดที่โรงงานแบตเตอรี่ทหารทำการหล่อ มีทั้งแผ่นกริดบวกและลบ สำหรับรถยนต์และรถไฟ รวมทั้งหมด 4 แบบ แผ่นกริดเหล่านี้ มีความแตกต่างตั้งแต่วัสดุตั้งต้น กล่าวคือ แผ่นกริดแบตเตอรี่รถยนต์ จะหล่อจากตะกั่วผสม 2.75% ในขณะที่แผ่นกริดแบตเตอรี่รถไฟ จะหล่อจากตะกั่วผสม 3.5%

รูปที่ 2 แท่งตะกั่วผสม (Lead Antimony Alloy) และตะกั่วบริสุทธิ์ (Pure Lead)

 
รูปที่ 3 เครื่องหล่อแผ่นกริด (ซ้าย) และแบบหล่อแผ่นกริด (ขวา)

นอกเหนือจากวัสดุที่แตกต่างกันแล้ว แผ่นกริดยังมีรูปแบบลวดลายและความหนาแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับชนิดขั้วไฟฟ้าของแผ่นกริดและประเภทของแบตเตอรี่ โดยแผ่นกริดของแบตเตอรี่สำหรับรถไฟจะมีความหนามากกว่าแผ่นกริดของแบตเตอรี่รถยนต์ เนื่องจากแบตเตอรี่รถไฟสามารถจ่ายประจุ หรือค่าแอมแปร์-ชั่วโมง (Amp-hour: Ah) มากกว่าแบตเตอรี่รถยนต์ นอกจากนี้ แผ่นกริดบวกยังมีความหนามากกว่าแผ่นกริดลบ เนื่องจากสารเคมีของแผ่นธาตุบวกหรือที่เรียกว่า เนื้อ paste แผ่นธาตุบวก มีปริมาณมากกว่าแผ่นธาตุลบ ทั้งนี้ ขณะเกิดปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่ แผ่นธาตุบวกจะมีการสึกกร่อนมากกว่าแผ่นธาตุลบ ดังนั้น เนื้อ paste แผ่นธาตุบวกจึงมีปริมาณมากกว่าแผ่นธาตุลบ

รูปที่ 4 ลักษณะของแผ่นกริดบวกและลบ ของแบตเตอรี่รถยนต์และรถไฟ

สำหรับรูปแบบหรือลวดลายของแผ่นกริด จะขึ้นอยู่กับปัจจัยหลักๆ 2 ปัจจัย ได้แก่ (1) การส่งผ่านไฟฟ้า และ (2) การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

1. การส่งผ่านไฟฟ้าของแผ่นกริด

     ในขั้นตอนการหล่อแผ่นกริดนั้น อาจเกิดความผิดพลาดที่ทำให้แผ่นกริดไม่สมบูรณ์ ซึ่งจะส่งผลถึงการนำกระแสไฟฟ้าที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมี การออกแบบแผ่นกริดให้มีลักษณะเป็นตาราง กระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นบริเวณที่ลวดลายขาด ยังคงสามารถเคลื่อนผ่านไปยังโครงตาข่ายด้านข้างได้ แตกต่างจากลวดลายที่มีลักษณะเป็นลูกกรง กระแสไฟฟ้าไม่สามารถผ่านบริเวณที่ลวดลายขาดได้ ทำให้ประสิทธิภาพการส่งผ่านไฟฟ้าของแผ่นกริดแบบลูกกรงน้อยกว่าแผ่นกริดแบบตาราง

 
รูปที่ 5 กระแสไฟฟ้าเคลื่อนผ่านแผ่นกริดแบบตาราง (ซ้าย) และลูกกรง (ขวา) ที่มีลวดลายไม่สมบูรณ์

2. การขยายตัวของแผ่น

      ปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด ทำให้เกิดพลังงานไฟฟ้าและพลังงานความร้อน ความร้อนที่ขึ้นเกิดนี้ จะส่งผลให้แผ่นกริดเกิดการขยายตัวอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ดังนั้น ในการออกแบบแผ่นกริด จึงต้องคำนึงการเปลี่ยนรูปร่างของแผ่นกริดเมื่อได้รับความร้อน หากพิจารณาการเปลี่ยนรูปร่างของแผ่นกริดเมื่อเกิดการขยายตัว จะเห็นได้ว่า แผ่นกริดแบบลูกกรงอาจเกิดการบิดเบี้ยวได้มากกว่าแผ่นกริดแบบตาราง ซึ่งอาจทำให้แผ่นกริดเสียหาย หรือเกิดการลัดวงจรในแบตเตอรี่ได้

     นอกจากการหล่อแผ่นกริด เพื่อนำไปทำเป็นแผ่นธาตุแล้ว ในขั้นตอนการหล่อนี้ ยังมีการหล่อขั้วแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ ขั้วเชื่อมเซลล์ภายในแบตเตอรี่ และแท่งตะกั่วยาว โดยใช้ตะกั่วผสม 3.5% ทั้งหมดนี้ เป็นชิ้นส่วนที่เตรียมไว้สำหรับขั้นตอนการประกอบแผ่นธาตุเข้าหม้อแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นขั้นตอนเกือบจะท้ายๆ ของการผลิต

รูปที่ 6 ชิ้นส่วนอื่นๆ ที่หล่อเตรียมไว้ประกอบแบตเตอรี่

ในการขั้นตอนการหล่อนี้ เราจะทำการหลอมแท่งตะกั่วผสม เพื่อขึ้นรูปเป็นแผ่นกริดแบบต่างๆ และชิ้นส่วนสำหรับประกอบแบตเตอรี่ ซึ่งหลังจากขั้นตอนนี้ แผ่นกริดจะถูกนำไปทำเป็นแผ่นธาตุ ส่วนชิ้นส่วนอื่นๆ จะถูกเก็บไว้ เพื่อใช้ในขั้นตอนการประกอบแบตเตอรี่ต่อไป

วีดิทัศน์เรื่องขั้นตอนที่ 1 การหล่อแผ่นกริดและขั่วแบตเตอรี่

เมื่อได้แผ่นกริด ที่มีลักษณะเป็นโครงตาราง จากขั้นตอนที่ 1 แผ่นกริดจะถูกนำมาฉาบด้วยสารเคมีที่ประกอบเป็นธาตุบวกและธาตุลบ หรือที่เรียกว่า เนื้อ paste ซึ่งจะทำให้เกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยแต่ละธาตุจะมีสีของเนื้อสารแตกต่างกัน กล่าวคือ ธาตุบวกจะมีสีน้ำตาลแดง ส่วนธาตุลบจะมีสีเทา แผ่นกริดบวกจะถูกฉาบและอัดด้วยเนื้อสารของธาตุบวก ในทำนองเดียวกัน แผ่นกริดลบจะถูกฉาบและอัดด้วยเนื้อสารของธาตุลบ จากนั้น แผ่นกริดที่ฉาบด้วยเนิ้อสารจะถูกอบด้วยอุณหภูมิ 240 องศาเซลเซียส ประมาณ 1 นาที แผ่นกริดที่ผ่านกระบวนการนี้ จะถูกเรียกว่า แผ่นละเลง

 
รูปที่ 1 แผ่นกริดฉาบด้วยเนื้อ paste (ซ้าย) และแผ่นละเลงผ่านออกจากเตาอบ (ขวา)

แผ่นละเลงที่ผ่านการอบมาแล้ว จะถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ โดยการบ่ม (curing) ด้วยกระสอบชุบน้ำคลุมทิ้งไว้ 2 - 3 วัน เพื่อไม่ให้เนื้อสารแตกตัว จากนั้น ปล่อยให้แห้งประมาณ 3 – 4 วัน รวมเวลาประมาณ 1 สัปดาห์ ซึ่งหลังจากกระบวนการทั้งหมดนี้ สีของแผ่นละเลงแต่ละธาตุยังคงแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด

 
รูปที่ 2 การบ่ม (ซ้าย) และแผ่นละเลงบวกและลบ (ขวา)

เนื้อสารของธาตุบวกและธาตุลบ มีส่วนประกอบหลักๆ เหมือนกันนั่นคือ น้ำกลั่น ผงตะกั่วออกไซด์ (Lead oxides: PbO) กรดซัลฟิวริกเจือจาง หรือกรดกำมะถันเจือจาง (Sulfuric acid: H₄SO₄) และสารเคมีสูตรเฉพาะของแต่ละโรงงาน สำหรับเนื้อสารของธาตุลบ จะเติมส่วนผสมเพิ่มเติม ได้แก่ สารเพิ่มประสิทธิภาพ (Expander) และวาสลิน (vaseline หรือ ปิโตรเลียมเจลลี่)

     ในขั้นตอนการเตรียมเนื้อสาร ตะกั่วบริสุทธิ์ 99.99% จะถูกนำมาบดเป็นผง เพื่อเตรียมเป็นผงตะกั่วออกไซด์ แล้วนำไปผสมกับส่วนผสมอื่นๆ ขั้นตอนการบด เริ่มต้นด้วยการหลอมตะกั่วบริสุทธิ์ แล้วหล่อใหม่เป็นแท่งขนาดเล็ก เพื่อนำเข้าเครื่องบดที่มีขนาดพอๆ กับบ้านหลังเล็กๆ ผงตะกั่วนี้ จะเป็นวัตถุดิบหลักของเนื้อสารทั้งธาตุบวกและธาตุลบ

รูปที่ 3 ขั้นตอนการบดผงตะกั่ว

 ขั้นตอนการละเลง เนื้อสารของธาตุบวกและลบ จะถูกฉาบและอัดลงบนแผ่นกริด เมื่อผ่านกระบวนการนี้แล้ว เราจะเรียกว่า แผ่นละเลง ทั้งนี้ แผ่นละเลงบวกและแผ่นละเลงลบที่ได้จากกระบวนการนี้ ยังไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมี เพื่อกำเนิดไฟฟ้าและใช้ทำแบตเตอรี่ได้ จะต้องมีการเปลี่ยนรูปของสารเคมีบนแผ่นละเลงของแต่ละธาตุก่อน ด้วยขั้นตอนฟอร์มแผ่นธาตุ (formation) ซึ่งจะกล่าวถึงต่อไป

วีดิทัศน์เรื่องขั้นตอนที่ 2 การละเลง

 จากขั้นตอนการละเลงก่อนหน้านี้ สารเคมีที่อยู่ในแผ่นละเลงบวกและลบ จะอยู่ในรูปของตะกั่วออกไซด์ (lead oxide: PbO) และตะกั่วซัลเฟต (lead sulfate: PbSO₄) เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งไม่สามารถเกิดปฏิกิริยาเคมีเพื่อกำเนิดพลังงานไฟฟ้า จึงต้องเปลี่ยนรูปสารเคมีบนแผ่นละเลงทั้ง 2 ชนิด ด้วยกระบวนการฟอร์มแผ่นธาตุ โดยเริ่มจากแช่แผ่นละเลงทั้ง 2 ชนิด ลงในกรดซัลฟิวริกเจือจาง หรือกรดกำมะถันเจือจาง (sulfuric acid:PbSO₄) ในขั้นตอนนี้ จะทำให้ PbO กลายเป็น PbSO₄ ตามสมการ

*ใช้ H₂SO₄ ที่มีความถ่วงจำเพาะ⁽¹⁾ (specific gravity: SG) ในช่วง 1.040 ถึง 1.060

     ขั้นตอนต่อไป ต้องอาศัยพลังงานไฟฟ้าเพื่อทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมี โดยจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง 230 แอมแปร์ ใช้เวลาประมาณ 20 ชั่วโมง การเรียงแผ่นธาตุจะถูกใส่ในลงถังน้ำกรดซัลฟิวริกเจือจาง และจัดเรียงแบบเดียวกับแผ่นธาตุในแบตเตอรี่ คือ ให้แผ่นธาตุลบเป็นแผ่นแรกและแผ่นสุดท้าย แต่ละถังจะถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมด้วยสะพานเชื่อมไฟที่ทำมาจากตะกั่วบริสุทธิ์ สะพานเชื่อมไฟนี้ จะผุกร่อนไปเรื่อยๆ และต้องเปลี่ยนใหม่ทุกๆ 1 ปี ขั้นตอนนี้ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงบนแผ่นละเลงบวกและลบ ดังนี้

     - แผ่นละเลงบวก อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกมา ทำให้ PbSO₄ กลายเป็นตะกั่วไดออกไซด์ (lead dioxide: PbO₂) ดังสมการ

( คือ e^- อิเล็กตรอน และ H⁺ คือ ไฮโดรเจน ซึ่งมี 1 โปรตอน)

     - แผ่นละเลงลบ อิเล็กตรอนจะเติมเข้าไป ทำให้ PbSO₄ กลายเป็นตะกั่ว (Pb) ที่มีลักษณะพื้นผิวเป็นรูพรุน จึงเรียกว่า ตะกั่วพรุน (sponge lead) ซึ่งไปตามสมการ

รูปที่ 1 การจัดเรียงแผ่นละเลงในขั้นตอนการฟอร์มแผ่นธาตุ (ซ้าย) และแผ่นธาตุบวกและลบ ที่ได้จากการฟอร์มแผ่นธาตุ (ขวา)

แผ่นละเลงที่ผ่านขั้นตอนนี้แล้ว จะเรียกว่า แผ่นธาตุ การเปลี่ยนแปลงหลังจากขั้นตอนการฟอร์มแผ่นธาตุ สามารถสังเกตได้จากสีของแผ่นธาตุ โดยแผ่นธาตุบวกที่เปลี่ยนจากสีน้ำตาลแดงกลายเป็นสีดำหรือมีสีน้ำตาลแดงเข้มคล้ายสนิมเหล็ก ซึ่งสอดคล้องกับสีน้ำตาลของตะกั่วออกไซด์และสีน้ำตาลแดงเข้มของตะกั่วไดออกไซด์ ส่วนแผ่นธาตุลบ ยังคงมีสีเทาที่เป็นสีของตะกั่วทั่วไป

 
รูปที่ 2 ลักษณะของตะกั่วออกไซด์ (ซ้าย) และตะกั่วไดออกไซด์ (ขวา) [ที่มา: https://en.wikipedia.org]

ขั้นตอนหลังจากนี้ แผ่นธาตุจะถูกนำไปล้าง ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญ โดยเฉพาะแผ่นธาตุลบ ที่ต้องแช่น้ำสะอาดทันที ให้สัมผัสอากาศน้อยที่สุด เพื่อป้องกันการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ แผ่นธาตุลบจะถูกล้างด้วยน้ำสะอาดจนกระทั่งมีค่า pH (ค่าแสดงความเป็นกรด-เบส) ประมาณ 5.0 ในทางตรงข้าม แผ่นธาตุบวกสามารถสัมผัสอากาศได้ และจะถูกแช่ลงในบ่อน้ำที่มีการอัดอากาศประมาณ 2 ชั่วโมง เพื่อล้างกรดออก และเพิ่มปริมาณตะกั่วไดออกไซด์บนผิวของแผ่นธาตุบวก

 
รูปที่ 3 การล้างแผ่นธาตุบวก (ซ้าย) และแผ่นธาตุลบ (ขวา)

ขั้นตอนสุดท้าย แผ่นธาตุที่ผ่านการล้างแล้วจะถูกนำมาอบ โดยแผ่นธาตุบวกที่มีความหนามากกว่า จะถูกอบด้วยอุณหภูมิ 110 องศาเซลเซียส ใช้เวลาประมาณ 3 ชั่วโมง 30 นาที สำหรับแผ่นธาตุลบจะใช้อุณหภูมิในการอบ 100 องศาเซลเซียส และใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง 30 นาที

รูปที่ 4 เครื่องอบแผ่นธาตุ

หลังจากขั้นตอนการฟอร์มแผ่นธาตุทั้ง 2 ชนิด ที่พร้อมนำไปประกอบเป็นแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด ที่อาศัยการเปลี่ยนรูปกลับไปกลับมาของตะกั่วไดออกไซด์และตะกั่วพรุน โดยมีกรดซัลฟิวริกเจือจางเป็นอิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) ซึ่งมีความสัมพันธ์ตามสมการ ดังนี้

- อิเล็กโทรไลต์

- แผ่นธาตุบวก

- แผ่นธาตุลบ

สรุปรวมปฏิกิริยาเคมีที่เกิดในแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด

*ใช้ H₂SO₄  ที่มีความถ่วงจำเพาะ⁽¹⁾ (specific gravity: SG) ในช่วง 1.250

ขณะเกิดปฏิกิริยาเคมีนี้ จะได้ทั้งพลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อน และแก๊สไฮโดรเจน ด้วยเหตุนี้ ฝาปิดช่องเติมน้ำกลั่นและน้ำกรดของแบตเตอรี่ จะต้องออกแบบให้สามารถระบายแก๊ส พร้อมกับป้องกันการระเหยของน้ำได้อีกด้วย

วีดิทัศน์เรื่องขั้นตอนที่ 3 การฟอร์มแผ่นธาตุ

เอกสารอ้างอิง

Kiessling, Reiner. "Lead Acid Battery Formation Techniques." Digatron Firing Circuits, Digatron  (1992): 2.

แผ่นธาตุบวกและลบที่ได้จากขั้นตอนการฟอร์มแผ่นธาตุ จะมีลักษณะเป็นคู่ ซึ่งไม่เหมาะสมกับการประกอบแบตเตอรี่ แผ่นธาตุจะต้องถูกตัดแบ่งเป็น 2 ส่วน พร้อมกับขัดใบหูแผ่นธาตุ สำหรับขั้นตอนนี้ ทั้งแผ่นธาตุบวกและลบ จะมีกระบวนการเหมือนกัน

 
รูปที่ 1 เครื่องตัดแผ่นธาตุ ทำหน้าที่ตัดแผ่นธาตุเป็น 2 ส่วน (ซ้าย) และขัดใบหูแผ่นธาตุ (ขวา)

แผ่นธาตุที่ถูกตัดแบ่งแล้ว จะถูกนำมาจัดเรียงประกอบเข้าเป็นเซลล์ไฟฟ้า แต่ละชุดเซลล์ไฟฟ้าจะเริ่มต้นและปิดท้ายด้วยแผ่นธาตุลบเสมอ ดังนั้น จำนวนแผ่นธาตุลบจะมากกว่าแผ่นธาตุบวก 1 แผ่นเสมอ ระหว่างแผ่นธาตุบวกและลบจะถูกขั้นด้วยแผ่นกั้น ซึ่งแผ่นกั้นสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์และรถไฟจะแตกต่างกัน แผ่นกั้นสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ ทำจาก Polyethylene (PE) ประกบกับใยแก้ว (fiberglass) สำหรับแบตเตอรี่รถไฟ ทำจากกระดาษประกบกับใยแก้ว แผ่นกั้นมีหน้าที่ป้องกันการลัดวงจรระหว่างแผ่นธาตุบวกและลบ ดังนั้น แผ่นกั้นจึงเป็นฉนวนไฟฟ้า โดยที่น้ำจะต้องซึมผ่านแผ่นกั้นได้ นอกจากนี้ แผ่นกั้นด้านที่เป็นใยแก้วจะหันเข้าประกบกับแผ่นธาตุบวก เนื่องจากแผ่นธาตุบวกจะมีการสึกกร่อนขณะเกิดปฏิกิริยาเคมี ใยแก้วบนแผ่นกั้นจะช่วยลดการตกตะกอนของเศษที่หลุดออกจากแผ่นธาตุบวก

  
 รูปที่ 2 แผ่นกั้นสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์และรถไฟ

ขั้นตอนต่อไป ชุดแผ่นธาตุจะถูกจัดให้เป็นระเบียบด้วยการจัดบ่าหวีหรือเข้าหวี จากนั้น ใบหูของชุดแผ่นธาตุจะถูกหลอม ติดเข้ากับขั้วเชื่อมเซลล์ภายในแบตเตอรี่ เรียกขั้นตอนนี้ว่า ประสานเซลล์ ซึ่งจะได้เป็น 1 ชุดเซลล์

รูปที่ 3 ขั้นตอนการประกอบชุดเซลล์แบตเตอรี่

ชุดเซลล์แต่ละชุด สำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ จะประกอบด้วยแผ่นธาตุบวก 6 แผ่น และแผ่นธาตุลบ 7 แผ่น จัดเรียงสลับกันทำให้ได้คู่ของแผ่นธาตุบวกกับลบ โดยแต่ละคู่จะทำหน้าที่เสมือนกับแบตเตอรี่ขนาดเล็กที่ให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า 2 โวลต์ หรือให้พลังงานไฟฟ้า 2 จูล แก่ประจุทุกๆ 1 คูลอมบ์ เมื่อใบหูแผ่นธาตุถูกเชื่อมติดกันในขั้นตอนประสานเซลล์ จะเสมือนเชื่อมแบตเตอรี่ขนาดเล็กด้วยการต่อแบบขนาน

รูปที่ 4 รูปแบบการเรียงแผ่นธาตุบวกและลบในชุดเซลล์

การจัดเรียงและเชื่อมแผ่นธาตุที่มีลักษณะเหมือนกันต่อแบตเตอรี่ขนาดเล็กขนานกันนี้ ทำให้แรงเคลื่อนไฟฟ้าจาก 1 ชุดเซลล์ มีค่า 2 โวลต์ ซึ่งเท่ากับคู่แผ่นธาตุบวกและลบ 1 คู่ ดังนั้น การเพิ่มจำนวนของคู่แผ่นธาตุในเซลล์ จะไม่ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้ามากขึ้น แต่จะทำให้ 1 ชุดเซลล์ สามารถปล่อยประจุในปริมาณที่มากขึ้นได้ ด้วยเหตุนี้ แบตเตอรี่ที่มีค่าแอมแปร์ชั่วโมง (Ah) มาก ชุดเซลล์แต่ละชุดจะต้องมีจำนวนคู่แผ่นธาตุมากขึ้นด้วย

วีดิทัศน์เรื่องขั้นตอนที่ 4 การประกอบชุดแผ่นธาตุ

การประกอบแบตเตอรี่ เป็นขั้นตอนที่ชุดเซลล์จะถูกบรรจุลงในเปลือกหม้อแบตเตอรี่ โดยจำนวนของชุดเซลล์ในแบตเตอรี่จะขึ้นอยู่กับแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการ โดยแต่ละชุดเซลล์จะให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า 2 โวลต์ ดังนั้น แบตเตอรี่ที่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้า 12 โวลต์ จะต้องมีชุดเซลล์ทั้งหมด 6 ชุด มาต่ออนุกรมกัน

รูปที่ 1 การจัดเรียกชุดเซลล์ภายในแบตเตอรี่ขนาด 12 โวลต์

 ในขณะที่ความสามารถในการจ่ายประจุหรือค่าแอมแปร์ชั่วโมง (Ah) ขึ้นอยู่กับจำนวนแผ่นธาตุของแต่ละชุดเซลล์ กล่าวคือ จำนวนแผ่นธาตุยิ่งมาก ค่าแอมแปร์ชั่วโมงจะมีค่ายิ่งมากขึ้นด้วย โดยค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าแต่ละชุดเซลล์ ยังคงมีค่า 2 โวลต์เท่าเดิม เนื่องจากแผ่นธาตุบวกและลบในชุดเซลล์เชื่อมต่อกันแบบขนานกัน จึงเสมือนกับนำแบตเตอรี่ขนาดเล็กมาต่อขนานกันนั่นเอง

รูปที่ 2 การเรียงแผ่นธาตุในชุดเซลล์ (ซ้าย) และการเปรียบเทียบค่าแอมแปร์ชั่วโมงกับจำนวนแผ่นธาตุ (ขวา)

เมื่อบรรจุชุดเซลล์ลงในเปลือกหม้อแบตเตอรี่ตามค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ต้องการ ขั้นตอนต่อไป ชุดเซลล์ภายในแบตเตอรี่จะถูกตรวจการลัดวงจร (short circuit) ผ่านจากขั้นตอนนี้ ขั้วของแต่ละชุดเซลล์จะถูกเชื่อมติดกันด้วยความร้อน (hot spot melting) จากนั้น เปลือกหม้อแบตเตอรี่จะถูกปิดผนึก ด้วยเทคนิค heat sealing ซึ่งขอบเปลือกหม้อและขอบฝาเปลือกหม้อถูกหลอมละลาย แล้วถูกกดให้ติดกันอย่างรวดเร็ว ขณะที่ทั้ง 2 ส่วน ยังหลอมเหลวอยู่ ทำให้สามารถปิดฝาเปลือกหม้อได้อย่างสนิท ขั้นตอนต่อไป ขั้วแบตเตอรี่จะถูกหลอมใหม่ให้มีขนาดที่ใหญ่ขึ้นเล็กน้อย และขั้นตอนสุดท้าย แบตเตอรี่จะถูกตรวจสอบการรั่ว โดยใช้อากาศอัดเข้าไปในแบตเตอรี่ หากหม้อแบตเตอรี่มีการรั่ว ความดันอากาศที่อัดเข้าไปจะมีค่าลดลง แบตเตอรี่ที่ผ่านกระบวนการตรวจสอบทั้งหมด จะถูกตอกเลขทะเบียน (serial number) เพื่อรอจัดจำหน่ายต่อไป

วีดิทัศน์เรื่องขั้นตอนที่ 5 การประกอบแบตเตอรี่

โดยทั่วไป แบตเตอรี่ที่ผลิตจากโรงงานจะยังไม่เติมน้ำกรดผสมลงไปภายใน จึงยังไม่สามารถให้พลังงานไฟฟ้าได้ ซึ่งปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในแบตเตอรี่ จะต้องอาศัยกรดซัลฟิวริกเจือจาง (sulfuric acid: ) หรือที่เรียกว่า น้ำกรดผสม เป็นอิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) โดยพลังงานไฟฟ้าจะเกิดขึ้น ขณะที่กรดซัลฟิวริก ทำปฏิกิริยาเปลี่ยนตะกั่วบริสุทธิ์ (Pb) และตะกั่วไดออกไซด์ (lead dioxide: PbO₂) กลายเป็นตะกั่วซัลเฟต (lead sulfate: PbSO₄) ดังสมการ

ดังนั้น ก่อนนำแบตเตอรี่ไปใช้ จะต้องเติมน้ำกรดผสมหรือกรดซัลฟิวริกเจือจาง แล้วอัดประจุหรือชาร์จไฟ (charge) ตามระยะเวลาที่กำหนด

     การผลิตน้ำกรดผสม ขั้นตอนแรก กรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่มีความถ่วงจำเพาะ⁽¹⁾ (specific gravity: SG) ประมาณ 1.840 จะถูกเติมลงในน้ำกลั่น (distilled water) ด้วยการอัดอากาศลงไปในถังกรดซัลฟิวริกเข้มข้น ดันน้ำกรดให้ไหลไปตามท่อเข้าสู่ถังน้ำบริสุทธิ์ขนาด 1000 ลิตร นอกจากนี้ ยังใช้การอัดอากาศในการผสมกรดกับน้ำกลั่นอีกด้วย กรดจะถูกเติมจนกระทั่งได้น้ำกรดผสมที่มีความถ่วงจำเพาะ 1.250 ที่อุณหภูมิ 27 องศาเซลเซียส ซึ่งความเข้มข้นของน้ำกรดผสม จะถูกตรวจสอบด้วยอุปกรณ์วัดความถ่วงจำเพาะ (hydrometer) หากความถ่วงจำเพาะของน้ำกรดผสมมีค่าน้อยกว่า 1.250 แสดงว่า น้ำกรดผสมมีความเข้มข้นน้อยไป ในทางตรงข้าม หากความถ่วงจำเพาะของน้ำกรดผสมมีค่ามากกว่า 1.250 แสดงว่า น้ำกรดผสมมีความเข้มข้นมากไป

 
รูปที่ 1 การผสมน้ำกรดซัลฟิวริกเจือจาง (ซ้าย) และการตรวจความเข้มข้นของน้ำกรดผสม (ขวา)

การผสมน้ำกรดเจือจาง มีข้อควรระวัง คือ ไม่ควรเติมน้ำกลั่นลงในน้ำกรด แต่ควรค่อยๆ เติมกรดลงในน้ำกลั่น เพื่อป้องกันไอกรดเข้มข้นที่อาจเกิดขึ้น เนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นขณะเกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างน้ำกลั่นกับกรดซัลฟิวริกเข้มข้น อย่างไรก็ตาม ในระหว่างขั้นตอนการผลิต ยังคงมีไอของน้ำกรดผสมเกิดขึ้น ดังนั้น ผู้ปฏิบัติการ จึงต้องสวมชุดป้องกันตลอดขั้นตอนการผลิต น้ำกรดผสมที่ผลิตได้ จะถูกส่งผ่านท่อ uPVC (unplasticized polyvinyl chloride) หรือที่รู้จักกันว่า ไวนิล (vinyl) ซึ่งเป็นวัสดุทนต่อการกัดกร่อนจากสารเคมี นอกจากนี้ ยังต้องมีอ่างสำหรับล้างตาและฝักบัวล้างตัว เตรียมไว้ในกรณีเกิดอุบัติเหตุ

รูปที่ 2 การแต่งกายขณะทำงาน

นอกจาก การผลิตน้ำกรดผสมแล้ว โรงงานแบตเตอรี่ทหารแห่งนี้ ยังผลิตน้ำกลั่นสำหรับเติมแบตเตอรี่อีกด้วย สำหรับขั้นตอนการผลิตน้ำกลั่น จะคล้ายกับเครื่องกรองน้ำที่ใช้ตามบ้านทั่วไป แต่มีขนาดใหญ่กว่า และมีไส้กรองหลากหลายชนิด เช่น ไส้กรองหยาบ (pisin) ไส้กรองเรซิ่น (resin) ไส้กรองคาร์บอน (carbon) และ ไส้กรองแอนทราไซต์ (anthracite) เป็นต้น ความบริสุทธิ์ของน้ำกลั่นบอกได้จากค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า⁽²⁾ (electrical resistivity) โดยค่าสภาพต้านทานไฟฟ้ายิ่งมาก น้ำกลั่นยิ่งบริสุทธิ์มาก สำหรับน้ำกลั่นที่ผลิตจะมีค่าสภาพต้านทานไฟฟ้า 0.2 เมกะโอห์ม·เซนติเมตร หรือ 200 กิโลโอหม์·เซนติเมตร

 
 รูปที่ 3 น้ำกรดผสม (ขวดสีแดง) น้ำกลั่น (ขวดสีน้ำเงิน) และเครื่องกรองน้ำสำหรับผลิตน้ำกลั่น (ขวา)

วีดิทัศน์เรื่องการผลิตน้ำกรดผสมแบตเตอรี่ 

  โรงงานแบตเตอรี่ทหารมีผลิตภัณฑ์หลายประเภท อาทิเช่น แบตเตอรี่สำหรับรถยนตร์ แบตเตอรี่สำหรับรถไฟ น้ำกรดผสม และน้ำกลั่น เป็นต้น แบตเตอรี่ที่ผลิตออกจากโรงงานโดยทั่วไป จะเป็นแบตเตอรี่ที่ยังไม่ได้เติมน้ำกรด ซึ่งทำให้สามารถเก็บรักษาแบตเตอรี่เพื่อรอจำหน่ายได้นาน

รูปที่ 1 ผลิตภัณฑ์ต่างๆ จากโรงงานแบตเตอรี่ทหาร

ในการเริ่มใช้แบตเตอรี่ครั้งแรก จะต้องเติมน้ำกรดผสมลงในแบตเตอรี่ ซึ่งเป็นการเติมเพียงครั้งเดียวตลอดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ หลังจากนั้น แบตเตอรี่จะถูกอัดประจุไฟฟ้าหรือชาร์จไฟฟ้า โดยควรใช้เวลาชาร์จไฟฟ้าให้นานที่สุด และการใช้กระแสไฟฟ้าให้น้อยที่สุด ซึ่งในการปฏิบัติงานจะใช้กระแสไฟฟ้าในการชาร์จมีค่าประมาณร้อยละ 10 ของค่าแอมแปร์ชั่วโมง (Ah) ของแบตเตอรี่ ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ที่มีค่าแอมแปร์ชั่วโมงเท่ากับ 70 จะถูกชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้า 7 แอมแปร์ เป็นเวลา 10 ชั่วโมง เป็นต้น การชาร์จไฟฟ้านี้ เป็นการกระตุ้นปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่ที่มีน้ำกรดผสม ในขณะที่เกิดปฏิกิริยาเคมี จะเกิดความร้อนขึ้นด้วย อุณหภูมิภายในแบตเตอรี่จึงมีค่าเพิ่มขึ้น และเกิดแก๊สต่างๆ รวมถึงไอระเหยของน้ำกรดผสมภายในแบตเตอรี่ด้วย ดังนั้น เพื่อป้องกันไม่ให้ความดันภายในแบตเตอรี่สูงเกินไป จึงควรเป็นเปิดฝาช่องเติมน้ำกลั่นของแบตเตอรี่ในขณะที่ชาร์จไฟฟ้าด้วย หลังจากการชาร์จไฟฟ้าครั้งแรก แบตเตอรี่จะมีอายุการใช้งานโดยเฉลี่ยประมาณ 2 ปี หลังจากนั้น แผ่นธาตุภายในแบตเตอรี่จะเริ่มเสื่อมคุณภาพ ทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีลดลง ส่งผลให้ไม่สามารถกักเก็บและปล่อยพลังงานไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 2 การอัดประจุไฟฟ้าครั้งแรกให้กับแบตเตอรี่

แบตเตอรี่นั้น มีอยู่หลากหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า และค่าแอมแปร์ชั่วโมง ทั้งนี้ ค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า จะมีค่าขึ้นอยู่กับจำนวนชุดเซลล์ภายในแบตเตอรี่ โดยชุดเซลล์ 1 ชุด จะให้แรงเคลื่อนไฟฟ้า 2 โวลต์ สำหรับค่าแอมแปร์ชั่วโมง จะมีค่าขึ้นอยู่จำนวนแผ่นธาตุในแต่ละชุดเซลล์ ดังนั้น จะเห็นได้ว่า แบตเตอรี่ที่มีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเพียง 2 โวลต์ แต่มีค่าแอมแปร์ชั่วโมงมาก แบตเตอรี่จะมีขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นผลจากแผ่นธาตุต่อ 1 ชุดเซลล์ มีจำนวนมากนั่นเอง อันที่จริงแล้ว ค่าแอมแปร์ชั่วโมงนั้น มีค่าเท่ากับค่าของประจุไฟฟ้าหรือคูลอมบ์ ซึ่งสามารถพิจารณาได้จากการเปลี่ยนหน่วย ดังนี้

* เครื่องหมาย [ ] หมายถึง การพิจารณาเฉพาะหน่วยของปริมาณ

     โดยที่ แอมแปร์ เป็นหน่วยของกระแสไฟฟ้า ซึ่งคำนวณจากปริมาณประจุไฟฟ้าที่ผ่านเส้นลวดใน 1 วินาที ดังนั้น แอมแปร์ จึงเท่ากับ คูลอมบ์ต่อวินาที และเปลี่ยนหน่วยของเวลาจากชั่วโมงเป็นวินาที จะได้ว่า เมื่อนำแอมแปร์คูณกับชั่วโมง จะมีค่าเท่ากับ คูลอมบ์ นั่นเอง และเมื่อค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าของแบตเตอรี่คูณกับค่าแอมแปร์ชั่วโมง จะได้ค่าพลังงานที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายได้ ซึ่งสามารถพิจารณาได้จากการเปลี่ยนหน่วย ดังนี้

 
ตารางที่ 1 ขนาดแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์และรถไฟ

สำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ ในปัจจุบันนี้ แบตเตอรี่รถยนต์ได้รับการออกแบบให้มีการใช้งานที่สะดวก สามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ แบบเติมน้ำ แบบลูกผสม และแบบ MF (Maintenance Free) โดยแบตเตอรี่แต่ละประเภท จะมีหลักการพื้นฐานเหมือนกันทั้งหมด คือ ผลิตพลังงานไฟฟ้าจากปฏิกิริยาเคมี ตะกั่ว-กรด แต่มีความแตกต่างกัน ในการออกแบบฝาปิดหม้อแบตเตอรี่ ดังนี้

     - แบตเตอรี่แบบเติมน้ำ หรือแบบดั้งเดิม (ชื่อในท้องตลาด “แบตฯ น้ำ”) เป็นแบตเตอรี่ที่ต้องดูแลเติมน้ำกลั่น เพื่อรักษาระดับและความเข้มข้นของน้ำกรดให้เหมาะสมอยู่เสมอ ดังนั้น ฝาปิดหม้อแบตเตอรี่จึงออกแบบให้มีช่องเปิดสำหรับเติมน้ำกลั่น

     - แบตเตอรี่แบบลูกผสม หรือ แบตเตอรี่แบบ Hybrid ฝาปิดหม้อแบตเตอรี่ได้รับการออกแบบ ให้ลดปริมาณการรั่วไหลของไอน้ำที่เกิดจากปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่ จึงไม่ต้องดูแลเติมน้ำกลั่น

     - แบตเตอรี่แบบ MF อาจเรียกว่า แบบ SMF (Sealed Maintenance Free) หรือ แบบ VRLA (Valve Regulated Lead Acid) ขึ้นอยู่กับความนิยมที่จะเรียกในแต่ละประเทศ แต่ละในประเทศไทย นิยมเรียกแบตเตอรี่แบบนี้ว่า แบตฯ แห้ง ทั้งที่ในความจริงแล้ว แบตเตอรี่ประเภทนี้ ยังคงต้องใช้น้ำกรดผสมในการทำปฏิกิริยาเคมีเหมือนกับแบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรด ทั่วไป สาเหตุที่แบตเตอรี่แบบนี้ถูกเรียกว่า แบตฯ แห้ง นั้น เนื่องจาก ฝาปิดหม้อของแบตเตอรี่แบบนี้ ได้รับการออกแบบให้ไม่มีการรั่วซึมของไอน้ำออกจากแบตเตอรี่ ดังนั้น ระดับและความเข้มข้นของน้ำกรดภายในแบตเตอรี่ จึงมีค่าเหมาะสมอยู่เสมอ ซึ่งตรงกับคำว่า Valve Regulated ในภาษาอังกฤษ สำหรับคำว่า แบตฯ แห้งนั้น มาจากขั้นตอนการดูแลแบตเตอรี่ประเภทนี้ ที่ไม่ต้องเติมน้ำกลั่นเลยตลอดอายุการใช้นั่นเอง

วีดิทัศน์เรื่องความรู้ทั่วไปเกี่ยวกับแบตเตอรี่