เหตุการณ์ไฟไหม้ที่เกิดขึ้นกับรถยนต์ไฟฟ้าวอลโว่ (Volvo) หลายต่อหลายครั้งในช่วงที่ผ่านมานี้ ได้กลายเป็นกรณีศึกษาที่สะท้อนให้เห็นถึงข้อจำกัดของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ ที่แม้จะอยู่ภายใต้มาตรฐานความปลอดภัยระดับสูงของอุตสาหกรรมยานยนต์ แต่แบตเตอรี่บางเซลล์ก็ยังทำงานล้มเหลวได้ จนนำไปสู่การเกิดความร้อนที่มากเกินไป และการลุกลามไปยังแบตเตอรี่ส่วนอื่น ๆ ในที่สุด
รถไฟฟ้ายี่ห้อวอลโว่ขณะเกิดไฟไหม้
ปฏิเสธไม่ได้เลยว่าเหตุการณ์นี้ก่อให้เกิดความกังวลด้านความปลอดภัยในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า โดยเฉพาะปัญหาด้าน Thermal Runaway ซึ่งเป็นกระบวนการที่อุณหภูมิของเซลล์แบตเตอรี่เพิ่มขึ้นจนกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาเคมีที่คายความร้อนออกมาอย่างต่อเนื่อง เมื่ออุณหภูมิถึงจุดหนึ่ง วัสดุภายในเซลล์แบตฯ เช่น อิเล็กโทรไลต์และแคโทด จะเริ่มสลายตัวและปลดปล่อยก๊าซไวไฟ ส่งผลให้เกิดการลุกไหม้ในที่สุด
รถยนต์ไฟฟ้าที่แบตเตอรี่ไหม้ : ที่มาภาพ UL Research Institutes
ความซับซ้อนของปัญหานี้สามารถเปลี่ยนเหตุการณ์ระดับไมโครให้กลายเป็นอุบัติเหตุระดับระบบได้ในเวลาอันสั้น การออกแบบแพ็กแบตเตอรี่จึงต้องคำนึงถึงการป้องกันการถ่ายเทความร้อนระหว่างเซลล์ การระบายความร้อน และการแยกส่วนทางกายภาพอย่างมีประสิทธิภาพ
ประเด็นสำคัญที่ควรตั้งคำถามคือ เพราะอะไรการควบคุมถึงทำได้ยาก เนื่องจากไฟจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนสามารถเกิดขึ้นได้โดยไม่ต้องพึ่งพาออกซิเจนจากภายนอก และสามารถกลับมาลุกไหม้ซ้ำได้แม้หลังจากถูกดับไปแล้วในระยะหนึ่ง
เหตุการณ์เช่นนี้ได้ผลักดันให้ผู้ผลิตต้องพัฒนาแนวทางใหม่ในการออกแบบระบบ เช่น การเพิ่มระดับการแยกเซลล์ การใช้วัสดุหน่วงไฟ และการปรับปรุงระบบตรวจจับความผิดปกติให้มีความไวและแม่นยำมากขึ้น
ความพยายามในการแก้ไขข้อจำกัดของแบตเตอรี่จึงต้องครอบคลุมถึงการออกแบบระบบทั้งหมด ตั้งแต่ระดับเซลล์ไปจนถึงระดับยานยนต์ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) รถยนต์ไฟฟ้ารุ่นใหม่ ๆ ถึงเริ่มมีการวิเคราะห์ข้อมูลแบบเรียลไทม์ และนำ AI มาใช้ในการคาดการณ์ความเสี่ยงล่วงหน้า ขณะที่ระบบจัดการความร้อนถูกพัฒนาให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นผ่านการใช้ของเหลวหล่อเย็นและการออกแบบทางวิศวกรรมที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น
การเปลี่ยนผ่านของอุตสาหกรรมยานยนต์จากเครื่องยนต์สันดาปภายในไปสู่รถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดจึงนับได้ว่าเป็นการเปลี่ยนสถาปัตยกรรมของระบบพลังงานของยานยนต์แทบจะทั้งระบบ โดยมีแบตเตอรี่เป็นองค์ประกอบศูนย์กลางที่กำหนดทั้งสมรรถนะ ความปลอดภัย อายุการใช้งาน และความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์ของตัวรถ
ชาร์จรถไฟฟ้า : ที่มาภาพ Pixabay
โดยแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนที่ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน นับเป็นระบบแบตเตอรี่เคมีไฟฟ้าที่มีความซับซ้อนสูง ประกอบด้วยปฏิกิริยาการเคลื่อนที่ของไอออนภายในธาตุลิเทียม ซึ่งถูกควบคุมด้วยสภาวะทางอุณหพลศาสตร์และจลนศาสตร์อย่างละเอียดอ่อน ทำให้ระบบมีความสมดุลสูง ถือเป็นจุดแข็งในแง่ประสิทธิภาพ แต่ก็เป็นจุดเปราะบางในแง่ของความปลอดภัย
หลักการทำงานของแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน : ที่มาภาพ UL Research Institutes
เมื่อแบตเตอรี่ถูกนำไปใช้งานสำหรับยานยนต์ แบตเตอรี่จำนวนมากก็จะถูกจัดรวมกันในรูปแบบโมดูล และเชื่อมต่อกันเป็นระบบขนาดใหญ่ที่ต้องพึ่งพาระบบควบคุม เพื่อรักษาเสถียรภาพของแรงดัน อุณหภูมิ และสมดุลของประจุไฟฟ้าในแต่ละเซลล์แบตเตอรี่
โดยรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดนั้น มีรูปแบบการใช้งานแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้ข้อจำกัดและหลักการทางวิศวกรรมไม่เหมือนกัน กล่าวคือรถยนต์ไฟฟ้าพึ่งพาแบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานหลักทั้งหมด จึงต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีความจุสูงและรองรับการคายประจุอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่รถยนต์ไฮบริดใช้แบตเตอรี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของระบบ โดยทำงานร่วมกับเครื่องยนต์สันดาป ทำให้ลักษณะการใช้งานแบตเตอรี่เป็นแบบชาร์จและคายประจุในช่วงสั้นแต่เกิดขึ้นบ่อยครั้ง
ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) : ที่มาภาพ Manufacturing today india
ความแตกต่างนี้ส่งผลให้การออกแบบทั้งในด้านความร้อน อายุการใช้งาน และกลยุทธ์การควบคุมพลังงานมีความแตกต่างกันแทบจะโดยสิ้นเชิง โดยรถยนต์ไฟฟ้าต้องเผชิญกับปัญหาความร้อนสูงกว่าแบบรถยนต์แบบไฮบริด เนื่องจากมีการใช้พลังงานจำนวนมากในระยะเวลานาน ขณะที่รถยนต์ไฮบริดต้องจัดการกับความซับซ้อนของการสลับแหล่งพลังงานและการรักษาสมดุลของระบบ
หนึ่งในประเด็นสำคัญที่หลายคนมักไม่ทราบกันคือ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนไม่ใช่ระบบที่เสถียรโดยตัวของมันเอง จึงจำเป็นต้องมีระบบที่ถูกทำให้เสถียรผ่านการควบคุมอย่างแม่นยำ เรียกว่า SEI (Solid Electrolyte Interphase) แต่ในขณะเดียวกันระบบ SEI ก็กลับเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่เช่นกัน
การก่อตัวของชั้น Solid Electrolyte Interphase (SEI) : ที่มาภาพ Medium
นอกจากนี้ปรากฏการณ์ Lithium Plating ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อไอออนลิเทียมสะสมตัวเป็นโลหะบนผิวแอโนด สามารถนำไปสู่การลัดวงจรภายในได้ในระยะยาว โดยเฉพาะภายใต้สภาวะการชาร์จเร็วหรืออุณหภูมิต่ำ แต่หากว่ากันในเชิงอุณหพลศาสตร์แล้ว แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนอยู่ในสถานะที่มีพลังงานศักย์เคมีสูง ซึ่งหมายความว่าหากเกิดความไม่เสถียรขึ้น พลังงานดังกล่าวสามารถถูกปลดปล่อยออกมาอย่างรวดเร็วในรูปของความร้อนและปฏิกิริยาเคมีอย่างต่อเนื่องได้นั่นเอง
โดยในระยะยาว เทคโนโลยีที่ถูกคาดหวังว่าจะเปลี่ยนแปลงอุตสาหกรรมคือ Solid-State Battery ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงจากการรั่วไหลและการลุกไหม้ พร้อมทั้งเพิ่มความหนาแน่นพลังงาน แต่ในปัจจุบันก็ยังคงมีปัญหาเกี่ยวกับการผลิตในระดับอุตสาหกรรมอยู่
แบตเตอรี่แบบ Solid - State : ที่มาภาพ Flashbattery
นอกจากการพัฒนาในการผลิตแบตเตอรี่แล้ว แนวคิดเศรษฐกิจหมุนเวียน (Circular Economy) ก็ได้เข้ามามีบทบาทสำคัญมากขึ้น เช่น การรีไซเคิลแบตเตอรี่ ที่กำลังเป็นที่พูดถึงกันในปัจจุบัน เพื่อรองรับปัญหาขยะแบตเตอรี่ที่จะเกิดขึ้นในอนาคตอันใกล้นี้
เรียกได้ว่าแบตเตอรี่ในยานยนต์ไฟฟ้าและไฮบริดเป็นหนึ่งในความท้าทายทางเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นในปัจจุบัน ไม่ว่าจะเป็นความเสี่ยงด้านความปลอดภัย การเสื่อมสภาพ หรือข้อจำกัดของทรัพยากร แนวโน้มของการพัฒนาในปัจจุบันชี้ให้เห็นว่าปัญหาต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกำลังเป็นโจทย์ที่ได้รับแก้ไขอย่างต่อเนื่อง ด้วยการบูรณาการองค์ความรู้จากหลายสาขา เพื่อให้แบตเตอรี่กลายเป็นพื้นที่นวัตกรรมที่สำคัญที่สุดแห่งหนึ่งของโลกพลังงานยุคใหม่นั่นเอง
อัปเดตข้อมูลแวดวงวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี รู้ทันโลกไอที และโซเชียลฯ ในรูปแบบ Audio จาก AI เสียงผู้ประกาศของไทยพีบีเอส ได้ที่ Thai PBS
ที่มาข้อมูล : nature, mdpi, evfiresafe, recharged, automacha
“รอบรู้ ดูกระแส ก้าวทันโลก” ไปกับ Thai PBS Sci & Tech
