เหตุใดการเกิดภาวะความร้อนล้น (Thermal Runaway) จึงพบได้ยากในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับผู้บริโภค

เหตุการณ์การเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมในแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภค (เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในโทรศัพท์มือถือ แล็ปท็อป และอุปกรณ์อื่นๆ) เกิดขึ้นค่อนข้างน้อย โดยส่วนใหญ่เป็นเพราะการออกแบบที่เน้นความระมัดระวัง มีกลไกความปลอดภัยสำรอง มีสถานการณ์การใช้งานที่ควบคุมได้ และมีการกำกับดูแลอย่างเข้มงวดจากอุตสาหกรรม

1.การออกแบบทางเทคนิค: กลยุทธ์แบบอนุรักษ์นิยมช่วยลดความเสี่ยง

• ความจุต่ำและพลังงานจำเพาะต่ำ

ข้อจำกัดด้านความจุ: เซลล์แบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคมักมีความจุระหว่าง 1000mAh ถึง 5000mAh (เช่น แบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือ ประมาณ 3000-5000mAh) ซึ่งต่ำกว่าแบตเตอรี่กำลังไฟฟ้าอย่างมาก (เช่น ชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ที่สามารถสูงได้ถึง 50-100kWh) แบตเตอรี่ที่มีความจุน้อยจะปล่อยพลังงานในปริมาณจำกัดเมื่อเกิดภาวะความร้อนล้น ทำให้มีโอกาสน้อยที่จะก่อให้เกิดการเผาไหม้หรือระเบิดอย่างรุนแรง แม้ว่าจะเกิดข้อผิดพลาดขึ้นก็ตาม

สมดุลของความหนาแน่นพลังงาน: เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ แบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคมักใช้ระบบมาตรฐานที่ประกอบด้วยขั้วลบแกรไฟต์และขั้วบวกไลเทียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCO) หรือชนิดไตรสาระ (ternary) แทนที่จะใช้ขั้วลบแบบซิลิคอนและขั้วบวกที่มีนิกเกิลสูง (เช่น NCM811/NCA) ซึ่งมุ่งเน้นความหนาแน่นพลังงานสูงสุดเป็นหลัก ขั้วบวก LiCO มีความเสถียรทางเคมีที่ดีกว่าวัสดุที่มีนิกเกิลสูง จึงช่วยลดความเสี่ยงของการเกิดภาวะความร้อนล้น

• การปรับแต่งโครงสร้างและการออกแบบการระบายความร้อน

รูปแบบการจัดวางแบบกะทัดรัด: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคมีพื้นที่ภายในจำกัด และแบตเตอรี่มักถูกติดตั้งรวมกันอย่างแน่นหนากับเมนบอร์ดและโมดูลระบายความร้อน ผู้ผลิตใช้การออกแบบ เช่น ฮีทซิงก์กราฟีน ท่อระบายความร้อนด้วยของเหลว และท่อถ่ายเทความร้อน เพื่อเร่งการนำความร้อนและป้องกันการร้อนสะสมในจุดใดจุดหนึ่ง ตัวอย่างเช่น สมาร์ทโฟนสำหรับเล่นเกมจะใช้โครงสร้างกระจายความร้อนหลายชั้น เพื่อปกป้องแบตเตอรี่จากการได้รับอุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน

โครงสร้างป้องกันการระเบิด: ตัวเรือนแบตเตอรี่ทำจากวัสดุ PC/ABS ที่ทนไฟ ซึ่งสามารถชะลอการลุกลามของเปลวไฟได้แม้เกิดการเผาไหม้ภายใน; อุปกรณ์บางชนิดจะบรรจุแอโรเจลหรือวัสดุเปลี่ยนเฟสไว้รอบๆ แบตเตอรี่ เพื่อดูดซับความร้อนและแยกออกซิเจนออก

• เทคโนโลยีวาล์วนิรภัยและแผ่นกั้น

วาล์วนิรภัย: เมื่อความดันภายในแบตเตอรี่สูงเกินไป (เช่น ในช่วงแรกของการเสียหายจากความร้อน) วาล์วนิรภัยจะแตกและปล่อยก๊าซออกมาเพื่อป้องกันการระเบิด

ตัวแยกเคลือบด้วยเซรามิก: มีการเคลือบชั้นเซรามิกบนพื้นผิวของตัวแยกโพลีเอทิลีน (PE) แบบเดิม เพื่อเพิ่มความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูง แม้ในกรณีที่เกิดการลัดวงจรเฉพาะที่ ตัวแยกจะไม่หดตัวอย่างรวดเร็วจนทำให้ขั้วไฟฟ้าบวกและลบสัมผัสกัน ส่งผลให้ป้องกันปฏิกิริยาลูกโซ่ความร้อนเกินได้

2. กลไกความปลอดภัย: การออกแบบซ้ำซ้อนเพื่อการป้องกันหลายระดับ

• การปรับปรุงระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

การป้องกันการชาร์จเกิน/การคายประจุเกิน: เมื่อแรงดันของแบตเตอรี่เข้าใกล้ 4.35V (ค่าเกินขีดจำกัดการชาร์จเกิน) BMS จะตัดวงจรการชาร์จ; เมื่อแรงดันต่ำกว่า 2.5V จะห้ามการคายประจุเพื่อป้องกันความเสียหายต่อแบตเตอรี่

การตรวจสอบอุณหภูมิ: เซ็นเซอร์อุณหภูมิภายในคอยตรวจสอบอุณหภูมิของแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ เมื่ออุณหภูมิเกิน 45°C จะมีการระบายความร้อน (เช่น ลดกำลังการชาร์จ) หรือแจ้งเตือน เมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป (เช่น เกิน 60°C) จะตัดแหล่งจ่ายไฟโดยตรง

ข้อจำกัดปัจจุบัน: เมื่อกระแสไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาสูงเกินไป (เช่น เกิดวงจรลัด) BMS จะกระตุ้นกลไกฟิวส์หรือจำกัดกำลังไฟฟ้าขาออก เพื่อป้องกันการร้อนเกินจากกระแสไฟฟ้าล้น

• กลยุทธ์การชาร์จเร็วแบบระมัดระวัง

การชาร์จเร็วของแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคมักใช้วิธีการชาร์จแบบแบ่งช่วง (เช่น ชาร์จด้วยกระแสคงที่ก่อน แล้วจึงเปลี่ยนเป็นแรงดันคงที่) และเมื่อพลังงานแบตเตอรี่ถึง 80% จะเปลี่ยนไปใช้การชาร์จแบบหยดช้าเพื่อลดการสะสมความร้อน

ข้อจำกัดด้านกำลังไฟขณะชาร์จ: ตัวอย่างเช่น กำลังไฟในการชาร์จเร็วของโทรศัพท์มือถือส่วนใหญ่อยู่ระหว่าง 20-100 วัตต์ ซึ่งต่ำกว่าการชาร์จเร็วของรถยนต์ไฟฟ้าที่ 150 กิโลวัตต์ขึ้นไป จึงช่วยลดความเสี่ยงจากการเกิดภาวะความร้อนควบคุมไม่ได้

• การเพิ่มประสิทธิภาพในการทนไฟของวัสดุ

เติมสารเคมีที่ช่วยดับไฟ (เช่น ฟอสเฟต) ลงในอิเล็กโทรไลต์ เพื่อยับยั้งปฏิกิริยาการเผาไหม้

พื้นผิวของวัสดุขั้วบวกถูกเคลือบด้วยชั้นเฉื่อย เช่น อลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃) เพื่อลดปฏิกิริยาข้างเคียงกับอิเล็กโทรไลต์ และลดการเกิดความร้อน

3. สถานการณ์การใช้งาน: สภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้และการดำเนินการตามมาตรฐาน

• สภาพแวดล้อมการใช้งานที่ไม่รุนแรง

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคมักใช้งานที่อุณหภูมิห้อง (0-40°C) และแทบไม่สัมผัสกับอุณหภูมิสูงจัด (เช่น ภายในรถยนต์ที่โดนแสงแดดโดยตรง) หรืออุณหภูมิต่ำจัด ในทางตรงกันข้าม แบตเตอรี่พลังงานต้องสามารถปรับตัวให้เข้ากับช่วงอุณหภูมิกว้างตั้งแต่ -30°C ถึง 60°C ซึ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดภาวะความร้อนล้น (thermal runaway)

• ข้อกำหนดพฤติกรรมการชาร์จ

ผู้ใช้มักใช้เครื่องชาร์จต้นฉบับ (ที่มีกำลังไฟขาออกตรงกัน) เพื่อหลีกเลี่ยงการชาร์จเกินหรือแรงดันเกิน

หลีกเลี่ยงการชาร์จต่อเนื่องเป็นเวลานานในเวลากลางคืน: อุปกรณ์หลายชนิด (เช่น โทรศัพท์มือถือ) จะหยุดการชาร์จโดยอัตโนมัติเมื่อประจุเต็ม ซึ่งจะช่วยลดระยะเวลาที่แบตเตอรี่อยู่ในสภาพประจุเต็ม (เนื่องจากแบตเตอรี่ที่ประจุเต็มมีปฏิกิริยาทางเคมีสูง และมีความเสี่ยงเพิ่มขึ้นเล็กน้อยต่อการเกิดภาวะความร้อนควบคุมไม่ได้)

• การป้องกันทางกายภาพอย่างสมบูรณ์

การออกแบบตัวเรือนอุปกรณ์คำนึงถึงการป้องกันการตกกระแทก (เช่น กรอบโทรศัพท์หนาขึ้นและมุมที่เสริมความแข็งแรง) เพื่อลดความเสี่ยงของการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่อันเกิดจากความเสียหายทางกล

ป้องกันไม่ให้วัตถุโลหะแปลกปลอมทิ่มแทงแบตเตอรี่: ผู้ใช้มักจะไม่วางวัตถุโลหะ เช่น กุญแจ ให้สัมผัสโดยตรงกับแบตเตอรี่ ซึ่งช่วยลดโอกาสการเกิดลัดวงจร

4. การกำกับดูแลอุตสาหกรรม: มาตรฐานที่เข้มงวดและการรับผิดชอบ

• การรับรองความปลอดภัยระดับสากล

UL 1642: ทดสอบความปลอดภัยของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะสุดขั้ว เช่น การชาร์จเกิน วงจรสั้น การบีบอัด และการทิ่มแทง;

IEC 62133: กำหนดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง อุณหภูมิต่ำ การสั่นสะเทือน และสิ่งแวดล้อมอื่นๆ

GB 31241: มาตรฐานบังคับของจีน ซึ่งกำหนดระยะเวลาการลุกลามของเปลวไฟหลังจากเกิดความผิดปกติของความร้อนในแบตเตอรี่ (ต้องไม่เกิน 30 วินาที)

แบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภคต้องผ่านการรับรองตามมาตรฐาน UL, IEC, GB และมาตรฐานอื่นๆ เช่น

• ระบบเรียกคืนและระบบทรงผิด

หากแบตเตอรี่ของแบรนด์ใดแบรนด์หนึ่งเกิดความผิดปกติของความร้อนบ่อยครั้ง ผู้ผลิตจะต้องดำเนินการเรียกคืน (เช่น เหตุการณ์ Samsung Galaxy Note 7) และต้องรับผิดชอบทางกฎหมาย แรงกดดันนี้ทำให้บริษัทต่างๆ ควบคุมคุณภาพอย่างเข้มงวด เพื่อให้มั่นใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในทุกกระบวนการ ตั้งแต่การจัดหาวัตถุดิบจนถึงการผลิต

5. การเปรียบเทียบแบตเตอรี่สำหรับขับเคลื่อนยานพาหนะ: ทำไมความเสี่ยงจากการเกิดความผิดปกติของความร้อนจึงสูงกว่า

• ความจุขนาดใหญ่และความหนาแน่นพลังงานสูง

ชุดแบตเตอรี่ไฟฟ้าประกอบด้วยเซลล์จำนวนหลายพันเซลล์ที่เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมหรือขนาน พลังงานรวมของแต่ละเซลล์จะยิ่งเพิ่มพลังทำลายจากภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) ตัวอย่างเช่น ชุดแบตเตอรี่ของ Tesla Model 3 มีความจุประมาณ 75 กิโลวัตต์-ชั่วโมง และพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างภาวะความร้อนล้นเทียบเท่ากับระเบิด TNT จำนวน 15 กิโลกรัม

• สภาพแวดล้อมการใช้งานที่ซับซ้อน

รถยนต์ไฟฟ้าต้องเผชิญกับความท้าทายหลายประการ เช่น อุณหภูมิสูงและต่ำ การสั่นสะเทือน และการชน ทำให้ความสม่ำเสมอของเซลล์แบตเตอรี่ยากต่อการรักษาระดับ และอาจเกิดการเสื่อมสภาพหรือความเสียหายเฉพาะจุด ซึ่งอาจกระตุ้นปฏิกิริยาลูกโซ่ได้

• การชาร์จเร็วและความต้องการกำลังไฟสูง

แบตเตอรี่ไฟฟ้าต้องรองรับการชาร์จเร็วที่มากกว่า 150 กิโลวัตต์ การชาร์จและคายประจุด้วยกระแสไฟฟ้าสูงจะทำให้อุณหภูมิภายในเซลล์แบตเตอรี่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลเพิ่มความเสี่ยงต่อภาวะความร้อนล้น

6. โดยสรุป

การเกิดภาวะความร้อนลุกลาม (thermal runaway) เกิดขึ้นได้น้อยลงในแบตเตอรี่สำหรับผู้บริโภค ซึ่งเป็นผลมาจากออกแบบทางเทคนิคที่ระมัดระวัง มีกลไกความปลอดภัยสำรองหลายชั้น สถานการณ์การใช้งานที่ควบคุมได้ และการกำกับดูแลอุตสาหกรรมอย่างเข้มงวด