การเกิดปฏิกิริยาความร้อนสูงเกินควบคุมและการวิเคราะห์วัสดุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

ปัจจุบัน บริษัทผู้ผลิตรถยนต์หลายแห่งใช้แบตเตอรี่ลิเธียมในแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าอย่างแพร่หลาย และความหนาแน่นของพลังงานก็สูงขึ้นเรื่อยๆ แต่ผู้คนยังคงกังวลเกี่ยวกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า และยังไม่มีทางออกที่ดีสำหรับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ การเกิดความร้อนสูงเกินไป (Thermal runaway) เป็นประเด็นหลักในการวิจัยด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า และเป็นเรื่องที่ควรให้ความสำคัญ

ก่อนอื่น เรามาทำความเข้าใจกันก่อนว่า ปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุม (Thermal runaway) คืออะไร ปรากฏการณ์นี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดจากตัวกระตุ้นหลายอย่าง ส่งผลให้เกิดความร้อนและก๊าซอันตรายจำนวนมากออกมาจากแบตเตอรี่ในระยะเวลาอันสั้น ซึ่งในกรณีร้ายแรงอาจทำให้แบตเตอรี่ลุกไหม้และระเบิดได้ สาเหตุของการเกิดปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุมมีหลายอย่าง เช่น ความร้อนสูงเกินไป การชาร์จไฟเกิน การลัดวงจรภายใน การชนกัน เป็นต้น โดยทั่วไปแล้ว ปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุมของแบตเตอรี่มักเริ่มต้นจากการสลายตัวของฟิล์ม SEI ในเซลล์แบตเตอรี่ด้านลบ ตามด้วยการสลายตัวและการหลอมละลายของไดอะแฟรม ส่งผลให้ขั้วลบและอิเล็กโทรไลต์สลายตัว จากนั้นขั้วบวกและอิเล็กโทรไลต์ก็จะสลายตัวตามไปด้วย ทำให้เกิดการลัดวงจรภายในขนาดใหญ่ ส่งผลให้อิเล็กโทรไลต์ไหม้ และลุกลามไปยังเซลล์อื่นๆ ทำให้เกิดปรากฏการณ์ความร้อนสูงเกินควบคุมอย่างรุนแรง และทำให้แบตเตอรี่ทั้งชุดลุกไหม้เองโดยไม่ทราบสาเหตุ

สาเหตุของการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมสามารถแบ่งออกเป็นสาเหตุภายในและสาเหตุภายนอก สาเหตุภายในมักเกิดจากไฟฟ้าลัดวงจรภายใน ส่วนสาเหตุภายนอกเกิดจากการใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางกล การใช้งานไฟฟ้าที่ไม่เหมาะสม การใช้งานความร้อนที่ไม่เหมาะสม เป็นต้น

การลัดวงจรภายใน ซึ่งเป็นการสัมผัสโดยตรงระหว่างขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่นั้น มีความแตกต่างกันอย่างมากในระดับการสัมผัสและปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น โดยปกติแล้ว การลัดวงจรภายในอย่างรุนแรงที่เกิดจากการใช้งานผิดวิธีทางกลและทางความร้อน จะทำให้เกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุม (thermal runaway) ทันที ในทางตรงกันข้าม การลัดวงจรภายในที่เกิดขึ้นเองนั้นค่อนข้างเล็กน้อย และความร้อนที่เกิดขึ้นนั้นน้อยมากจนไม่ทำให้เกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมในทันที การเกิดการลัดวงจรภายในเองมักเกิดจากข้อบกพร่องในการผลิต การเสื่อมสภาพของคุณสมบัติต่างๆ ที่เกิดจากการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ตามอายุ เช่น ความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น การสะสมของโลหะลิเธียมที่เกิดจากการใช้งานผิดวิธีเล็กน้อยเป็นเวลานาน เป็นต้น เมื่อเวลาผ่านไป ความเสี่ยงของการลัดวงจรภายในที่เกิดจากสาเหตุภายในดังกล่าวจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น

การใช้งานที่ไม่เหมาะสมทางกล หมายถึง การเสียรูปของโมโนเมอร์และชุดแบตเตอรี่ลิเธียมภายใต้การกระทำของแรงภายนอก และการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของชิ้นส่วนต่างๆ ภายในแบตเตอรี่ รูปแบบหลักที่ก่อให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์ไฟฟ้า ได้แก่ การชน การบีบอัด และการเจาะ ตัวอย่างเช่น วัตถุแปลกปลอมที่ชนเข้ากับรถขณะขับด้วยความเร็วสูง อาจทำให้ไดอะแฟรมภายในของแบตเตอรี่เสียหาย ส่งผลให้เกิดการลัดวงจรภายในแบตเตอรี่และทำให้เกิดการลุกไหม้เองในระยะเวลาอันสั้น

การใช้งานแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างไม่เหมาะสมทางไฟฟ้าโดยทั่วไป ได้แก่ การลัดวงจรภายนอก การชาร์จเกิน การคายประจุเกิน และอีกหลายรูปแบบ ซึ่งมักจะพัฒนาไปสู่ภาวะความร้อนสูงเกินจนควบคุมไม่ได้ (thermal runaway) การลัดวงจรภายนอกเกิดขึ้นเมื่อตัวนำสองตัวที่มีแรงดันต่างกันเชื่อมต่ออยู่นอกเซลล์ การลัดวงจรภายนอกในชุดแบตเตอรี่อาจเกิดจากการเสียรูปที่เกิดจากการชนของยานพาหนะ การจุ่มน้ำ การปนเปื้อนของตัวนำ หรือไฟฟ้าช็อตระหว่างการบำรุงรักษา โดยทั่วไป ความร้อนที่ปล่อยออกมาจากการลัดวงจรภายนอกจะไม่ทำให้แบตเตอรี่ร้อนขึ้นเหมือนกับการรั่วซึม จุดเชื่อมโยงที่สำคัญระหว่างการลัดวงจรภายนอกและภาวะความร้อนสูงเกินจนควบคุมไม่ได้คือ อุณหภูมิที่สูงถึงจุดร้อนจัด เมื่อความร้อนที่เกิดจากการลัดวงจรภายนอกไม่สามารถระบายออกได้ดี อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะสูงขึ้น และอุณหภูมิสูงนี้จะกระตุ้นให้เกิดภาวะความร้อนสูงเกินจนควบคุมไม่ได้ ดังนั้น การตัดกระแสลัดวงจรหรือการระบายความร้อนส่วนเกินจึงเป็นวิธีหนึ่งในการยับยั้งไม่ให้การลัดวงจรภายนอกก่อให้เกิดความเสียหายเพิ่มเติม การชาร์จเกิน เนื่องจากมีพลังงานสูง จึงเป็นอันตรายอย่างยิ่งต่อการใช้งานแบตเตอรี่อย่างไม่เหมาะสม การเกิดความร้อนและก๊าซเป็นสองลักษณะทั่วไปของกระบวนการชาร์จเกิน ความร้อนที่เกิดขึ้นมาจากความร้อนโอห์มิกและปฏิกิริยาข้างเคียง ประการแรก เดนไดรต์ลิเธียมจะเจริญเติบโตบนพื้นผิวขั้วบวกเนื่องจากการฝังตัวของลิเธียมมากเกินไป