Thermal Runaway ภัยร้ายของแบตเตอรี่

Thermal Runaway 

มักจะอยู่เบื้องหลังเหตุการณ์ไฟไหม้รถ EV ส่วนมาก และถือเป็นเรื่องใหญ่ของแบตเตอรี่ แล้วมันคืออะไร และเกิดได้ยังไง?

Thermal Runaway คือกระบวนการที่อุณหภูมิใน Cell ของแบตเตอรี่สูงขึ้นอย่างรวดเร็ว และควบคุมไม่ได้ โดยเกิดจากปฏิกริยาเคมีที่คายความร้อน (Exothermic Reaction) และความร้อนที่คายออกมากลับไปเร่งปฏิริยาให้เกิดมากขึ้นอีก จนเป็นลูกโซ่ อุณหภูมิจึงสูงขึ้นอย่างรวดเร็วจนเกิดการลุกไหม้ ในที่สุดความร้อนนี้จะลามไปยังเซลล์ข้างเคียง และทำให้เซลล์เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบบเดียวกันในที่สุด จึงเรียก Thermal Runaway นั่นเอง

แต่ถ้าอยากได้รายละเอียด จะสามารถแบ่ง Thermal Runaway ตามอุณหภูมิได้เป็นช่วงได้ดังนี้

• อุณหภูมิปกติ (Normal Operation)

เป็นอุณหภูมิการทำงานปกติ BMS มีการคุมอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงปลอดภัย

• ความร้อนเริ่มต้น (Exothermic Onset)

อุณหภูมิเริ่มสูงเกินจุดวิกฤติจนเกิดปฏิกิริยาที่คุมไม่ได้ SEI Layer บนขั้ว Anode เริ่มสลายตัว จนทำปฏิกริยากับ Electrolyte เกิดความร้อน และก๊าซไวไฟขึ้นมา (Exothermic Reaction)

• เร่งความร้อน (Accelerated Heating)

Electrolyte เริ่มสลายตัว (~120°C) ปล่อยก๊าซไวไฟเช่น ไฮโดรเจน และคาร์บอนไดออกไซด์ เมื่อความร้อนเพิ่มขึ้น (~130–160°C) Separator จะเริ่มเสื่อมสภาพ หรือละลาย ทำให้เกิดการลัดวงจรที่รุนแรง และเพิ่มความร้อนขึ้นอีก

• Rapid Thermal Runaway

ขั้ว Cathode เช่น Lithium Cobalt Oxide (LCO) หรือ NMC เริ่มเสื่อมสภาพ (~150–200°C) และปล่อยออกซิเจน (O₂) และ ออกซิเจนจะเร่งการเผาไม้ของก๊าซไวไฟ เร่งให้อุณหภูมิสูงได้ถึง ~600–800°C

และเมื่อมีสะเก็ดไฟจากการลัดวงจร หรืออุณหภูมิสูงเกินจุดติดไฟของก๊าซ ก็จะเกิดเปลวไฟขึ้น ก๊าซที่เกิดในแต่ละขั้นตอนหากสูงเกินไป จะถูกปล่อยระบายออกทาง Vent หรือช่องระบายแรงดัน เราจึงมักเห็นควันพุ่งออกมาจากแบตเตอรี่แพค และหากก๊าซเหล่านั้นติดไฟ เราก็จะเห็นเป็นเปลวไฟ (Jet Flame) พุ่งออกมาพร้อมกัน

"เราจึงมักไม่ค่อยเห็นรถ EV ระเบิด"

เพราะมีช่องระบายแรงดัน ต่างกับแบต Li-ion อย่างมือถือ ที่ไม่มีช่องระบาย เมื่อเกิด Thermal Runaway จึงมีความเสี่ยงในการระเบิดมากกว่า

อย่างไรก็ตามหากปฏิกิริยารุ่นแรง และเกิดก๊าซจำนวนมากที่ระบายไม่ทัน ก็อาจเกิดระเบิดได้เช่นกัน แต่ไม่ค่อยพบเท่าไร ดังนั้นหากเกิด Thermal Runaway ก็ไม่ควรอยู่ในบริเวณใกล้เคียง

• Propagation (การลุกลาม)

ความร้อนและเปลวไฟจากเซลล์ที่เกิด Thermal Runaway แพร่กระจายไปยังเซลล์ข้างเคียงในแบตเตอรี่แพ็คทำให้แบตเตอรี่แพ็คทั้งหมดลุกไหม้นั่นเอง

อย่างไรก็ตาม Thermal Runaway จะหยุดเมื่อวัสดุที่เป็นต้นเหตุของปฏิกิริยาสิ้นสุดลง เช่น Electrolyte หรือ Cathode

การหยุด Thermal Runaway มีเพียงลดอุณหภูมิลง ไม่ให้เซลข้างเคียงอุณหภูมิสูง จึงต้องฉีดน้ำเลี้ยงจำนวนมาก

Thermal Runaway เกิดได้ยังไง?

จะเห็นว่าแค่อุณหภูมิเลยจุดวิกฤติก็จะเกิดปฏิกริยาลูกโซ่ทำให้เกิด Thermal Runaway ได้ทันที เหตุการณ์ที่จะทำให้เกิดความร้อนที่พบบ่อยเช่น

“การลัดวงจร”

ซึ่งอาจเกิดจาก Defect การผลิตเอง หรือการเสื่อมของแบตเตอรี่ (เกิด Lithium Plating ที่ Anode จนเกิด Dendrite ที่เจาะทะลุ Separator จนลัดวงจร)

นอกจากนี้อาจเกิดจากความเสียหายภายนอก เช่นการชน ขูดใต้ท้องแบต จนเซลเสียหาย ซึ่งหากลัดวงจรรุนแรง ก็อาจจะเกิด Thermal Runaway ได้อย่างรวดเร็ว แต่หากการลัดวงจรเกิดเพียงเล็กน้อย ก็อาจจะไม่เห็นความผิดปกติภายนอก แต่จะเกิดความร้อนสะสมในเซลช้า ๆ อาจใช้เวลาตั้งแต่ "ไม่กี่ชั่วโมง" ไปจนถึง "หลายวัน!!" ก่อนที่จะถึงจุดวิกฤติ

ดังนั้นหากเกิดการกระแทกมา อาจจะต้องคอยสังเกตุความผิดปกติ หรือนำเข้าศูนย์บริการเพื่อตรวจเช็คอย่างละเอียดครับ เพราะอาการอาจจะไม่ได้เกิดทันที

นอกจากนี้การ Overcharge ก็เป็นสาเหตุให้เกิดความร้อนสูง แต่สำหรับแบต EV มี BMS คอย monitor ไม่ให้เกินอยู่แล้ว จึงไม่ค่อยเกิดจากสาเหตุนี้ (นอกจาก BMS มีปัญหา) อีกสาเหตุที่น่าสนใจคือ Loose connection หรือจุดเชื่อมต่อภายในแพคหลวม ซึ่งมักจะเกิดได้ยากเพราะแบตจะถูกแพคจากโรงงาน แต่หากแบตถูกเปิดมาซ่อม และจุดเชื่อมต่อเกิดหลวม จุดเหล่านั้นก็ย่อมเกิดความร้อนสะสมได้เช่นกัน

ทำไม LFP ปลอดภัยกว่า?

สำหรับแบตเตอรี่ที่เป็น LFP ขั้ว Cathode มีความเสถียรทางความร้อนสูงกว่า และเมื่อสลายตัวจะไม่เกิด O2 ที่เป็นตัวเร่งการเผาไหม้เหมือน NMC ทำให้ LFP ติดไฟได้ยากกว่า และอุณหภูมิต่ำกว่า แต่ก็มีข้อเสียคือ Energy Density ที่น้อยกว่า NMC

ถึง LFP อาจจะไม่ได้ติดไฟง่าย ๆ แต่ก๊าซที่พ่นออกมาก็มีความร้อนสูง สามารถทำให้วัสดุใกล้เคียงติดไฟได้เช่นกัน

(นี่เป็นตัวอย่าง Thermal Runaway ของ Blade Battery จาก [All EV Service]

(https://www.facebook.com/ALLEVSERVICE?__cft__[0]=AZX0dNRAJeastgpwrf_v6GHM53ladppP3QvOXV-lUd4pUnkoRewnLPnBxOG7yK3Jor_vEpt0mCBcNaOutrA86KyoW2UtMal-ThN9RrWl_Ypq6TjeAwbmi-AWwG8ejMsoBemDLUX3GGTsK_ht15IyOKzqta4FkfNgIQKZaxtNaB3EKg&__tn__=-]K-R) เคยทดลองไว้ครับ จะเห็นว่ามีเพียงควันออกมาเท่านั้น แต่ควันนั้นก็มีความร้อนที่สูงมาก

**https://www.facebook.com/reel/482016654364352** )

จากสาเหตุการเกิด Thermal Runaway จะเห็นว่าหากเกิดการลัดวงจรเพียงเซลเดียว อาจลุกลามจนเกิด Thermal Runaway ทั้งแพค และทำให้รถไหม้ได้ ผู้ผลิตแบตต่างรู้ปัญหานี้ดี ล่าสุด CATL ผู้ผลิตแบตรายใหญ่คิดเทคโนโลยี NP 2.0 หรือ “No Propagation” ที่จะหยุดการลุกลามหากเกิด Thermal Runaway ได้โดยใช้วิธีการดังนี้

• Aviation-grade Insulation การบุฉนวนในแต่ละเซลเพื่อไม่ให้ความร้อนแผ่ไปยังเซลข้างเคียงได้

• Large-area flexible liquid cooling plate ระบบ Cooling ที่จะลดอุณหภูมิเซลที่มีปัญหาลงได้อย่างรวดเร็ว

• Smoke-electric Isolation การออกแบบช่องระบายควันออกทางใต้แบต เพื่อไม่ให้ความร้อนเข้าทางห้องโดยสาร และป้องกันการลุกลามไปยังเซลอื่น

NP 2.0 ยังคงพัฒนาให้ดีขึ้นเรื่อย ๆ CATL เชื่อว่าในอนาคต Thermal Runaway จะไม่ใช่เรื่องใหญ่อีกต่อไป

สุดท้าย Thermal Runaway นั้นน่ากลัวก็จริง แต่ก็ไม่ได้เกิดง่าย ๆ และแบตเตอรี่ในปัจจุบันก็มีการทดสอบกันกระแทกพอสมควร และส่วนมากตัวรถมักเตือนถึงความผิดปกติล่วงหน้า ดังนั้นในมุมของผู้ใช้ หากเกิดการกระแทกอย่างรุนแรงที่แบต อาจจะต้องสังเกตุความผิดปกติ และรีบนำรถเข้าศูนย์บริการตรวจเช็คเพื่อความปลอดภัยครับ