แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนควันขึ้น ไฟไหม้ หรือระเบิด ล้วนมีสาเหตุเกิดจากสภาวะที่เรียกว่า Thermal Runaway การทำความเข้าใจว่า Thermal Runaway คืออะไร เกิดจากอะไร แล้วป้องกันได้อย่างไรบ้าง จึงนับเป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกคนที่เกี่ยวข้อง เพื่อให้สามารถใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้อย่างปลอดภัย
อ่านเพิ่มเติม : แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร ดีอย่างไร รวมทุกเรื่องที่ต้องรู้
Thermal Runaway คืออะไร
Thermal Runaway คือการที่แบตเตอรี่มีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องจนเกินการควบคุม ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้เมื่อเจอกับสารเคมีในแบตเตอรี่ที่มีคุณสมบัติติดไฟได้ รวมถึงพลังงานที่กักเก็บอยู่ภายใน จึงอาจทำให้เกิดควัน ไฟไหม้ หรือเหตุระเบิดได้นั่นเอง
แม้ว่า Thermal Runaway จะสามารถเกิดขึ้นได้ในแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ ด้วยเช่นกัน เช่น แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด และแบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม แต่เนื่องด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะมีคุณสมบัติบางอย่างที่เอื้อให้เกิด Thermal Runaway ได้ง่ายกว่า เช่น มีความหนาแน่นของพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ ประกอบกับได้รับความนิยมมากกว่า เมื่อพูดถึง Thermal Runaway ส่วนใหญ่จึงมักให้ความสนใจไปที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นหลัก
อ่านเพิ่มเติม : แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไฟไหม้-ระเบิด เกิดจากอะไร ป้องกันได้อย่างไร
Thermal Runaway เกิดจากอะไร
Thermal Runaway มีสาเหตุเกิดจากความเสียหาย 3 รูปแบบ ได้แก่ ความเสียหายเชิงกล เชิงไฟฟ้า และเชิงความร้อน โดยมีรายละเอียดดังนี้
1. ความเสียหายเชิงกล
ความเสียหายเชิงกลที่เกิดกับแบตเตอรี่อย่างการถูกบีบอัด กระแทก หรือเจาะทะลุ อาจทำให้เกิดความผิดปกติของชิ้นส่วนสำคัญ เช่น การขาดทะลุของตัวกั้นระหว่างขั้วแคโทดและแอโนด (Polymer Separator) ซึ่งมีหน้าที่ช่วยป้องกันไม่ให้อิเล็กโทรดขั้วบวกและขั้วลบมาสัมผัสกัน หากอิเล็กโทรด 2 ขั้วนี้สัมผัสกันและสามารถสื่อนำไฟฟ้าถึงกันได้ ไม่ว่าจะเกิดจากส่วนประกอบภายในแบตเตอรี่เสียหายผิดรูป หรือโดนวัสดุภายนอกเจาะทะลุ ก็อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรตามมา และในที่สุดก็อาจเกิดความร้อนเพิ่มสูงขึ้นจนเข้าสู่สภาวะ Thermal Runaway
ด้วยหลักการนี้เอง ยานยนต์ไฟฟ้าเมื่อเกิดอุบัติเหตุได้รับความเสียหาย จึงจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบดูแลเป็นพิเศษ เพื่อให้มั่นใจว่ายังปลอดภัยในการใช้งาน
2. ความเสียหายเชิงไฟฟ้า
การเกิด Thermal Runaway จากความเสียหายเชิงไฟฟ้าจะมีอยู่ 2 กรณี ได้แก่ การชาร์จไฟเกิน (Overcharging) และการจ่ายไฟเกิน (Overdischarging)
ในสภาวะการทำงานปกติ ไอออนลิเธียมจะสามารถเคลื่อนที่ไปมาระหว่างขั้วแอโนดและแคโทด โดยขั้วแอโนดจะมีไอออนลิเธียมมากที่สุดเมื่อชาร์จเต็ม จุดที่น่ากังวลอย่างหนึ่งก็คือแกรไฟต์ซึ่งเป็นวัสดุสำหรับขั้วแอโนดที่นิยมใช้กันมากที่สุด เมื่อจับกับลิเธียมจนอิ่มตัวก็มักขาดความเสถียรในเชิงอุณหพลศาสตร์ จึงอาจทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์และเกิดการเสื่อมสภาพ อย่างไรก็ตาม พื้นผิวของแกรไฟต์โดยทั่วไปแล้วจะมีชั้นฟิล์มที่เรียกว่า Solid Electrolyte Interphase (SEI) เคลือบอยู่ ซึ่งจะมีส่วนช่วยป้องกันไม่ให้พื้นผิวของแกรไฟต์สัมผัสกับอิเล็กโทรไลต์ จึงสามารถช่วยจำกัดการเสื่อมสภาพที่เกิดจากสาเหตุนี้ได้
แต่ในกรณีที่แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกชาร์จไฟเกิน ซึ่งก็คือแต่ละเซลล์ถูกชาร์จจนมีแรงดันไฟฟ้าเกินกว่าช่วงประมาณ 4.2V สิ่งที่เกิดขึ้นตามมาก็คือแกรไฟต์จะจับกับลิเธียมจนอิ่มตัว ไม่สามารถจับเพิ่มได้อีก ไอออนลิเธียมส่วนเกินจึงเกาะอยู่กับพื้นผิวของแกรไฟต์และก่อตัวขึ้นเป็นลิเธียมเดนไดรต์แทน (มีลักษณะเป็นผลึกตะกอนผิวขรุขระ) ซึ่งหากมากเข้าก็อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรจนแบตเตอรี่ทำงานขัดข้อง
นอกจากนี้แล้ว การชาร์จไฟเกินก็ยังทำให้ลิเธียมเคลื่อนที่ออกจากขั้วแคโทดอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้ค่าศักย์ไฟฟ้าเพิ่มสูงขึ้น จึงเป็นเหตุให้อิเล็กโทรไลต์เสื่อมสลายและเกิดก๊าซก่อตัวขึ้นได้อีกด้วย สำหรับแบตเตอรี่ที่ใช้วัสดุของขั้วแคโทดเป็น LiNiMnCoO2 หรือที่นิยมเรียกว่า NMC ซึ่งเป็นชนิดที่พบได้บ่อย การเคลื่อนออกของลิเธียมอย่างต่อเนื่อง เมื่อมากเข้าก็ยังมีผลทำให้โครงสร้างของวัสดุขาดความเสถียร จนอาจนำไปสู่การขัดข้องรุนแรงของแบตเตอรี่ได้อีกเช่นกัน
ในกรณีที่จ่ายไฟเกิน ซึ่งก็คือแต่ละเซลล์จ่ายไฟจนมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าช่วงประมาณ 2.7V ลิเธียมทั้งหมดจะเคลื่อนที่ออกจากแกรไฟต์ในขั้วแอโนด ซึ่งหากหนักเข้าก็อาจทำให้ตัวเก็บประจุที่เป็นทองแดงละลาย เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จอีกครั้ง ทองแดงที่ละลายก็อาจก่อตัวขึ้นเป็นเดนไดรต์และทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรได้
3. ความเสียหายเชิงความร้อน
แบตเตอรี่เมื่อเกิดความเสียหายเชิงกลและเชิงไฟฟ้า ก็อาจเกิดไฟฟ้าลัดวงจร ซึ่งจะทำให้เกิดความร้อนตามมา ความร้อนที่เกิดขึ้นนี้หากไม่สามารถระบายได้ทันจนอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นถึงระดับหนึ่ง ก็อาจนำไปสู่เหตุขัดข้องรุนแรงได้ในที่สุด
อุณหภูมิแต่ละระดับก็จะก่อให้เกิดความเสียหายแก่แบตเตอรี่ที่ต่างกันไป แต่ทั่วไปแล้วเมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 70°C ชั้นฟิล์ม SEI ก็จะเริ่มเสื่อมสลาย ส่งผลให้อิเล็กโทรไลต์สัมผัสกับพื้นผิวของแกรไฟต์ การเปลี่ยนแปลงของชั้นฟิล์ม SEI นี้จะทำให้เกิดการคายความร้อน จึงส่งผลให้อุณหภูมิยิ่งเพิ่มสูงขึ้น
กรณีที่อุณหภูมิของแบตเตอรี่เพิ่มสูงเกินช่วงประมาณ 130°C ตัวกั้นระหว่างขั้วแคโทดและแอโนดซึ่งมักจะทำมาจากโพลีเอทิลีนหรือโพลีโพรพิลีน ก็อาจละลายจนทำให้ขั้วแคโทดและแอโนดสัมผัสกันจนเกิดไฟฟ้าลัดวงจรตามมา (การออกแบบแบตเตอรี่บางรูปแบบอาจมีการใช้ Thermal Shutdown Separator ซึ่งมักจะเป็นโพลิเมอร์หลายชั้นที่มีรูพรุนหรือเป็นชั้นเคลือบเซรามิก มาช่วยเสริมความปลอดภัยในจุดนี้)
กรณีที่เกิดไฟฟ้าลัดวงจรก็อาจทำให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้นอีก ซึ่งจะขึ้นอยู่กับระดับพลังงานในแบตเตอรี่ หากอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นจนเกิน 200°C อิเล็กโทรไลต์และขั้วแคโทดจะเสื่อมสลาย ทำให้เกิดการก่อตัวของออกซิเจนซึ่งมีคุณสมบัติติดไฟได้ง่าย และเกิดก๊าซพิษบางชนิด เช่น กรดไฮโดรฟลูออริก
ทั้งนี้ วัสดุของขั้วแคโทดที่ใช้จะมีผลต่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ โดยหากใช้เป็นลิเธียมไอออนฟอสเฟต (LiFePO4 หรือ LFP) ก็จะมีความปลอดภัยสูงกว่าวัสดุชนิดอื่นๆ เช่น ลิเธียมนิเคิลแมงกานิสโคบอลต์ออกไซด์ (LiNiMnCoO2 หรือ NMC) ซึ่งเป็นวัสดุของขั้วแคโทดที่พบได้บ่อย นอกจากนี้แล้ว ปัจจุบันก็ยังมีความพยายามในการพัฒนาแบตเตอรี่ประเภท Solid-State ซึ่งเป็นการใช้อิเล็กโทรไลต์ในสถานะของแข็งแทนที่อิเล็กโทรไลต์ในสถานะของเหลวซึ่งติดไฟได้ง่าย ทำให้มีความปลอดภัยมากขึ้น ตัวอย่างแนวทางวัสดุที่มีการทดลองพัฒนาก็จะมีตั้งแต่อิเล็กโทรไลต์จำพวกสารประกอบออกไซด์ ซัลไฟด์ และโพลิเมอร์
วิธีป้องกัน Thermal Runaway
สำหรับวิธีป้องกันการเกิดสภาวะ Thermal Runaway ของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ทั่วไปแล้วจะมีรายละเอียดดังนี้
- ใส่ใจเรื่องมาตรฐาน ควรซื้อและเลือกใช้แบตเตอรี่ รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ชาร์จที่ได้มาตรฐานเท่านั้น หลีกเลี่ยงการซื้อจากแหล่งที่ขาดความน่าเชื่อถือ เพราะอาจได้รับสินค้าปลอม
- หยุดใช้ทันทีหากแบตเตอรี่ผิดปกติ หากพบว่าแบตเตอรี่มีลักษณะผิดปกติ ไม่ว่าจะเป็นในเรื่องของสี กลิ่น มีร่องรอยเสียหาย บวม มีของเหลวไหลซึม มีเสียงผิดปกติ หรือมีความร้อนสูงจนผิดสังเกต ก็ควรหยุดใช้ทันที
- เลี่ยงความร้อนและแสงแดด เลี่ยงไม่ให้แบตเตอรี่สัมผัสแสงแดดโดยตรง อยู่ใกล้แหล่งความร้อน วัตถุไวไฟ หรืออยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูง ทั้งนี้ก็เพื่อเป็นการป้องกันความเสียหายเชิงความร้อนซึ่งเป็นสาเหตุหลักอย่างหนึ่งของสภาวะ Thermal Runaway
- เลี่ยงการชาร์จแบตเตอรี่แช่ทิ้งไว้นานเกินจำเป็น แม้แบตเตอรี่ทั่วไปจะมีระบบป้องกันการชาร์จไฟเกิน แต่เพื่อลดความเสี่ยงจากความผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้น ทางที่ดีก็ควรหยุดชาร์จแบตเตอรี่หลังมีพลังงานเต็ม ไม่ควรชาร์จแช่ทิ้งไว้
- ทิ้งแบตเตอรี่ในจุดที่เหมาะสม ไม่ควรทิ้งแบตเตอรี่ในจุดทิ้งขยะทั่วไป เพราะอาจนำไปสู่การจัดการที่ไม่เหมาะสม จนเกิดสภาวะ Thermal Runaway และเกิดเหตุไฟไหม้ตามมาได้ ควรนำไปทิ้งในจุดทิ้งแบตเตอรี่โดยเฉพาะ อย่างเช่น จุดทิ้งของโครงการ E-Waste
- ใส่ใจเรื่องระบบความปลอดภัย แบตเตอรี่ที่ใช้ควรมีมาตรฐานและระบบความปลอดภัยต่างๆ รองรับอย่างเพียงพอ รวมถึงในกรณีที่เกิด Thermal Runaway ขึ้น โดยเฉพาะแบตเตอรี่ที่มีกำลังไฟสูงๆ เช่น แบตเตอรี่ในรถ EV หรือแบตเตอรี่ใน BESS
บทสรุป
Thermal Runaway คือการที่แบตเตอรี่มีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่องจนเกินการควบคุม ซึ่งอาจนำไปสู่การเกิดควัน ไฟไหม้ หรือเหตุระเบิดได้ โดยจะมีสาเหตุเกิดจากความเสียหายเชิงกล เชิงไฟฟ้า หรือเชิงความร้อน เช่น แบตเตอรี่ถูกบีบอัดเสียหาย ถูกชาร์จไฟเกิน หรืออยู่ในบริเวณที่มีอุณหภูมิสูงจนเกินไป
สำหรับวิธีป้องกันนั้นก็อาจทำได้โดยการเลือกใช้เฉพาะแบตเตอรี่รวมถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์ชาร์จที่ได้มาตรฐานเท่านั้น หยุดใช้ทันทีหากพบสัญญาณผิดปกติ เลี่ยงไม่ให้เจอความร้อนและแสงแดด เลี่ยงการชาร์จแบตเตอรี่ที่เต็มแช่ทิ้งไว้ ทิ้งแบตเตอรี่เฉพาะในจุดที่เหมาะสม และในกรณีที่เป็นแบตเตอรี่ที่มีกำลังไฟสูง ก็ควรให้ความใส่ใจกับระบบด้านความปลอดภัยมากเป็นพิเศษ
GMS Solar ผู้จัดจำหน่าย BESS ชั้นนำในไทย
BESS (Battery Energy Storage System) เป็นเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ในสเกลใหญ่ซึ่งได้รับความนิยมสูงในปัจจุบัน สามารถใช้กักเก็บไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น แสงอาทิตย์ ลม น้ำ ฯลฯ ใช้เพิ่มเสถียรภาพของระบบไฟฟ้าทั่วไป เช่น เก็บสำรองไฟไว้ใช้ในยามฉุกเฉินหรือยามที่มีความต้องการสูง หรือใช้ลดค่าไฟจาก Demand Charge ในอุตสาหกรรมที่มีการใช้ไฟฟ้าในปริมาณมาก
เพื่อช่วยผลักดันเทคโนโลยี BESS ของไทยให้ก้าวหน้ารวดเร็วยิ่งขึ้น GMS Solar จึงได้จับมือกับ REPT Battero ซึ่งเป็นผู้นำ BESS ระดับ Top 3 ของโลกจากประเทศจีน ในฐานะของ Distributor เพียงเจ้าเดียวในไทย
REPT Battero เป็นบริษัทผู้ผลิตเซลล์แบตเตอรี่ที่มีขีดความสามารถในด้าน R&D สูง มีเหมืองตั้งแต่ต้นน้ำของตัวเอง ทั้งยังมีจุดเด่นต่างๆ อีกมากมาย เช่น
- ได้รับการยอมรับให้อยู่ใน BloombergNEF’s Tier 1 Energy Storage Manufacturers List 2024
- ได้รับใบประกาศรับรองคุณภาพและความปลอดภัยตามมาตรฐานสากลมากมาย อาทิ UL 1973, IEC 62619, UN 38.3, NFPA 855, IEC 62477, UL9540A เป็นต้น
- มีเทคโนโลยี Wending Battery ที่เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะ ซึ่งจะช่วยเพิ่มปริมาณความจุและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้ยาวนานขึ้น สามารถมี Cycle Life ได้มากถึง 8,000-10,000 รอบ ส่งผลใช้งานได้ยาวนานถึง 20 ปี
- ได้ส่งมอบ BESS ให้กับโครงการสำคัญมากมาย เช่น โครงการ 1,680 MWh Waratah Super Battery ที่รัฐนิวเซาท์เวลส์ ประเทศออสเตรเลีย โครงการ 226 MWh St Gall Battery Energy Storage System ที่รัฐเท็กซัส สหรัฐอเมริกา เป็นต้น
เมื่อเทคโนโลยี BESS ที่ล้ำสมัยของ REPT Battero ได้ผนวกรวมกับความเชี่ยวชาญของ GMS Solar ซึ่งเป็นบริษัทในเครือ GMS Interneer ที่มีประสบการณ์ในอุตสาหกรรมพลังงานมากว่า 20 ปี จึงเกิดเป็นโซลูชั่น BESS ที่มีคุณภาพสูง ครอบคลุมทั้งในส่วนของสินค้าและบริการ พร้อมที่จะส่งมอบให้กับทุกโครงการสำคัญของคุณ
