การวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่หลายปี มีการผลิตที่แม่นยำ ทดสอบอย่างหนัก ตรวจสอบอย่างต่อเนื่อง รวมถึงมีระบบป้องกันความผิดพลาดนับไม่ถ้วน ล้วนถูกนำมาใช้เพื่อป้องกันการเกิดความร้อนสูงเกินไปในแบตเตอรี่ ขณะนี้ นักวิจัยจาก Chinese Academy of Sciences ประเทศจีน กำลังเสนอวิธีแก้ปัญหาที่เรียบง่ายแต่ได้ผล นั่นก็คือ การทำให้แบตเตอรี่ไม่สามารถติดไฟได้
การศึกษาซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Energy ได้เผยว่า วิธีแก้ปัญหาก็คือการออกแบบแบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ชนิดพอลิเมอร์ที่ไม่ติดไฟ ซึ่งจะแข็งตัวอย่างรวดเร็วภายใต้ความร้อนสูง ทำให้เกิดเกราะป้องกันภายใน
ปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุม (Thermal runaway) เป็นปัญหาที่ท้าทายมานานในเทคโนโลยีแบตเตอรี่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ซึ่งโดยทั่วไปใช้อิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ง่าย ความกังวลนี้ได้รับความสนใจมากขึ้นไปอีกเนื่องจากการใช้งานรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ที่เพิ่มขึ้น เพราะขนาดของแบตเตอรี่ในรถยนต์เหล่านี้มีขนาดใหญ่
โดยปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุม เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เร่งตัวเอง แบตเตอรี่จะเข้าสู่สภาวะร้อนจัดที่ควบคุมไม่ได้ เมื่ออุณหภูมิถึงระดับหนึ่ง สารเคมีภายในแบตเตอรี่จะเริ่มทำปฏิกิริยา ปล่อยความร้อนออกมามากขึ้น ความร้อนนี้จะเร่งปฏิกิริยา ทำให้เกิดความร้อนเพิ่มขึ้นอีกในวงจร ภายในเวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีหรือนาที อุณหภูมิอาจพุ่งสูงขึ้นถึง 1,292-1,832 องศาฟาเรนไฮต์ (700-1,000 องศาเซลเซียส) ซึ่งมักนำไปสู่การปล่อยก๊าซพิษ ไฟไหม้รุนแรง หรือการระเบิด
ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากแบตเตอรี่สร้างออกซิเจนขึ้นเองในระหว่างปฏิกิริยานี้ การดับเพลิงแบบทั่วไปจึงมักไม่สามารถดับไฟได้ ต้องรอให้แบตเตอรี่ไหม้หมดไปเอง สำหรับการเกิดปฏิกิริยาความร้อนสูงเกินไป (Thermal runaway) สามารถเกิดขึ้นได้จากหลายสาเหตุ รวมถึงความเสียหายของแบตเตอรี่ ความร้อนสูงเกินไป การชาร์จไฟเกิน ข้อบกพร่องในการผลิต การสัมผัสกับน้ำเค็ม ไปจนถึงไฟไหม้จากภายนอก เป็นต้น
แม้จะฟังดูน่ากลัว แต่จากข้อมูลของ EV FireSafe เผยว่า โอกาสที่รถยนต์ไฟฟ้า (EV) จะลุกไหม้เองเนื่องจากปัญหาแบตเตอรี่นั้นอยู่ที่ประมาณ 0.0012% เท่านั้น ตัวเลขนี้เป็นไปได้ เนื่องจากวิศวกรรมขั้นสูง ทรัพยากร และความพยายามอย่างมหาศาล
ผู้ผลิตแบตเตอรี่ใช้เวลาหลายปีในการวิจัยและออกแบบทุกแง่มุมของแบตเตอรี่ ตั้งแต่เคมีของเซลล์ไปจนถึงโครงสร้างทางไฟฟ้า โดยปกติแล้วจะตามมาด้วยกระบวนการผลิตที่แม่นยำมาก จากนั้นจึงทำการทดสอบอย่างเข้มงวดหลายรอบ นอกจากปัจจัยเหล่านี้แล้ว ผู้ผลิตยังออกแบบระบบตรวจสอบ ระบบระบายความร้อน ระบบป้องกัน และระบบป้องกันความเสียหายหลายระบบรอบ ๆ แบตเตอรี่อีกด้วย
โดยมาตรการทั้งหมดนี้ต้องใช้เวลาและความพยายามหลายปี และค่าใช้จ่ายอาจสูงถึงหลายพันล้านดอลลาร์สหรัฐ ดังนั้น จึงพอเข้าใจได้ว่าทำไมวิธีแก้ปัญหาที่นักวิจัยเสนอ ซึ่งก็คือแบตเตอรี่ที่มีระบบป้องกันไฟไหม้ในตัว จึงถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ เนื่องจากระบบของพวกเขาก็คือ แบตเตอรี่ที่มีไฟร์วอลล์อัจฉริยะในตัว ซึ่งจะป้องกันไฟไหม้ที่อาจเกิดขึ้นโดยอัตโนมัติก่อนที่จะลุกลาม
แตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนแบบดั้งเดิมที่ใช้อิเล็กโทรไลต์เหลวที่ติดไฟได้ ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นสารประกอบคาร์บอเนตอินทรีย์ เช่น เอทิลีนคาร์บอเนต (EC) ไดเมทิลคาร์บอเนต (DMC) และไดเอทิลคาร์บอเนต (DEC) แบตเตอรี่ดีไซน์ใหม่นี้ใช้โซเดียมไอออนเป็นพื้นฐาน โดยมีอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟและสามารถเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันได้ (PNE) เมื่ออุณหภูมิภายในแบตเตอรี่สูงเกิน 150 องศาเซลเซียส (302 องศาฟาเรนไฮต์) อิเล็กโทรไลต์เหลวจะเกิดปฏิกิริยาเคมีอย่างรวดเร็วและแข็งตัว ของแข็งที่แข็งตัวนี้ทำหน้าที่เป็น “กำแพงกันไฟ” ภายใน ป้องกันไม่ให้ความร้อนแพร่กระจายและตัดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่มักนำไปสู่การระเบิด
นักวิจัยได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับประสิทธิภาพของระบบในระหว่างการทดสอบ แบตเตอรี่สามารถทนต่อความร้อนจากภายนอกได้ถึง 300 องศาเซลเซียส (572 องศาฟาเรนไฮต์) โดยไม่เกิดการลัดวงจรความร้อน นอกจากนี้ เซลล์ยังผ่านการทดสอบการเจาะด้วยตะปู ซึ่งจำลองการลัดวงจรภายใน โดยยังคงสภาพโครงสร้างไว้ได้อย่างสมบูรณ์ และถึงแม้จะมีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยเพิ่มเติม แต่เซลล์แบตเตอรี่ก็ยังคงรักษาความหนาแน่นของพลังงานที่แข่งขันได้ที่ 211 Wh/kg และทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือในอุณหภูมิตั้งแต่ -40 ถึง 60 องศาเซลเซียส (-40 ถึง 140 องศาฟาเรนไฮต์)
เหตุผลที่เลือกใช้โซเดียมไอออนมากกว่าลิเทียมไอออนนั้นเข้าใจง่าย เพราะระบบโซเดียมไอออนมีความเสถียรทางความร้อนมากกว่าโดยธรรมชาติ ใช้วัสดุที่มีปฏิกิริยาน้อยกว่า ทำให้มีโอกาสเกิดปฏิกิริยาควบคุมไม่ได้ น้อยกว่ามาก ซึ่งถือเป็นพื้นฐานที่เหมาะสมสำหรับกลไกความปลอดภัยในตัว เช่น อิเล็กโทรไลต์ที่แข็งตัวได้เอง
ในทางกลับกัน แบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีความหนาแน่นพลังงานต่ำกว่า หมายความว่าเก็บพลังงานได้น้อยกว่าต่อปริมาตรหนึ่งหน่วย เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน อย่างไรก็ตาม นี่เป็นราคาที่สมเหตุสมผลเมื่อเทียบกับข้อดีของระบบนี้
ประการแรก ช่วยขจัดความเป็นไปได้ที่จะเกิดไฟไหม้ ซึ่งนับเป็นข้อดีอย่างมากในด้านความปลอดภัย นอกจากนี้ ระบบความปลอดภัยยังเป็นแบบ Passive Safety แต่มีประสิทธิภาพสูง ไม่จำเป็นต้องใช้คอมพิวเตอร์หรือปั๊มระบายความร้อนเพื่อ “ตรวจจับ” ไฟไหม้ เคมีภายในแบตเตอรี่เองทำหน้าที่เป็นฟิวส์ทางกายภาพ
นอกจากนี้ เนื่องจากแบตเตอรี่มีความปลอดภัยโดยธรรมชาติ จึงช่วยลดความจำเป็นในการใช้ “สิ่งกันไฟ” ขนาดใหญ่และราคาแพงมาครอบแบตเตอรี่ ทำให้รถทั้งคันมีน้ำหนักเบาและต้นทุนการผลิตถูกลง แต่ทั้งนี้ทั้งนั้น แบตเตอรี่ยังคงต้องการระบบระบายความร้อน เนื่องจากการทำงานตามปกติยังคงก่อให้เกิดความร้อน และอุณหภูมิสูงสามารถลดประสิทธิภาพ รวมถึงลดอายุการใช้งานได้
ที่สำคัญ ยังมีเรื่องที่น่าสนใจก็คือ เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพผลิตแบตเตอรี่ไม่ติดไฟไม่เฉพาะแค่รถยนต์ไฟฟ้า (EV) แต่ยังครอบคลุมถึงระบบใด ๆ ก็ตาม ที่ใช้แบตเตอรี่ด้วย
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
ที่มาข้อมูล : newatlas
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
