ทำไมแบตเตอรี่ EV ถึงติดไฟ และระบบต่างๆ ป้องกันเรื่องนี้อย่างไร?

Thermal runaway คือปฏิกิริยาลูกโซ่ทางเคมีที่ป้อนตัวเอง ซึ่งเริ่มจากเซลล์หนึ่งแล้วจุดติดเซลล์ข้างเคียงต่อไปเรื่อยๆ ส่วนแบตเตอรี่สมัยใหม่ใช้แผงกั้นและ BMS เพื่อตัดวงจรปฏิกิริยานี้
Thermal runaway คือปฏิกิริยาลูกโซ่ทางเคมีที่ป้อนตัวเอง ซึ่งเริ่มจากเซลล์หนึ่งแล้วจุดติดเซลล์ข้างเคียงต่อไปเรื่อยๆ ส่วนแบตเตอรี่สมัยใหม่ใช้แผงกั้นและ BMS เพื่อตัดวงจรปฏิกิริยานี้

แชร์หน้านี้

แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าติดไฟเนื่องจากปรากฏการณ์ thermal runaway ซึ่งเป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ทางเคมีที่เร่งตัวเองเมื่อการผลิตความร้อนในเซลล์ลิเธียมไอออนมากกว่าการระบายความร้อน; ชุดแบตเตอรี่สมัยใหม่พยายามป้องกันปรากฏการณ์นี้ด้วยมาตรการแบบหลายชั้น เช่น เคมีของตัวคั่น สารเติมแต่งอิเล็กโทรไลต์หน่วงไฟ สิ่งกีดขวางความร้อนระหว่างเซลล์ ช่องระบายแบบควบคุม และการเฝ้าติดตามของ BMS ด้านล่างนี้เราจะวิเคราะห์กลไกนี้ทีละขั้นตอน และแนวป้องกันของผู้ผลิตทีละชั้น

สิ่งที่น่าสนใจ

  • Thermal runaway สามารถดันอุณหภูมิเซลล์ให้เกิน 600°C กระบวนการนี้นำไปสู่การลุกไหม้ภายในไม่กี่นาที
  • หากไม่มีสิ่งกีดขวาง การลุกลามจากเซลล์สู่เซลล์อาจเกิดขึ้นภายในเวลาไม่ถึง 60 วินาที
  • เซลล์ NMC จะไม่เสถียรในช่วง 150-210°C ขณะที่ LFP ยังคงเสถียรได้ถึง 230-300°C
  • ชุดแบตเตอรี่แบบ NTP (No Thermal Propagation) ที่มีช่องระบายและสิ่งกีดขวางทนไฟ มุ่งหมายดับความผิดปกติของเซลล์เดียวก่อนที่มันจะลุกลามไปทั่วชุดแบตเตอรี่
  • ในทางสถิติ อัคคีภัยจากแบตเตอรี่พบได้น้อยกว่าไฟไหม้รถเบนซิน แต่เมื่อเกิดขึ้นแล้วจะควบคุมได้ยากกว่ามาก

Thermal Runaway คืออะไรกันแน่ และเริ่มต้นได้อย่างไร?

Thermal runaway หรือภาษาไทยเรียกว่า การหลุดจากสมดุลทางความร้อน คือลำดับปฏิกิริยาที่เริ่มต้นขึ้นทันทีที่การผลิตความร้อนในเซลล์ลิเธียมไอออนมากกว่าการระบายความร้อน และเร่งตัวเองด้วยวงจรป้อนกลับเชิงบวก หลักการทางตรรกะง่าย ๆ คือ: ยิ่งอุณหภูมิสูงขึ้น ปฏิกิริยาเคมีแบบคายความร้อนก็ยิ่งเร็วขึ้น ปฏิกิริยาที่เร่งตัวผลิตความร้อนมากขึ้น และความร้อนที่มากขึ้นก็ยิ่งเร่งปฏิกิริยาให้เร็วขึ้นไปอีก เมื่อวงจรนี้เริ่มต้นแล้ว อุณหภูมิเซลล์สามารถเกิน 600°C และกระบวนการนี้อาจจบลงด้วยการลุกไหม้หรือระเบิดภายในไม่กี่นาที

จุดสำคัญคือ มันไม่ใช่เหตุการณ์เดียว แต่เป็นลำดับขั้นตอนที่ค่อยเป็นค่อยไป ลำดับเหตุการณ์โดยประมาณเป็นดังนี้: เริ่มจากความผิดปกติภายในและอุณหภูมิที่สูงขึ้น; จากนั้นตัวคั่นโพลิเมอร์ หรือ separator จะเสียโครงสร้าง ทำให้เกิดการลัดวงจรภายใน การลัดวงจรทำให้ความร้อนเพิ่มขึ้นหลายเท่า อิเล็กโทรไลต์แยกตัวและผลิตก๊าซ; แรงดันภายในเซลล์สูงขึ้น ที่อุณหภูมิสูงสุด วัสดุแคโทดจะเริ่มปลดปล่อยออกซิเจนของตัวเอง และนี่คือขั้นตอนสุดท้ายที่อธิบายว่าทำไมไฟจึงดับยากมาก: แบตเตอรี่ผลิตเชื้อเพลิงและออกซิเจนไว้ภายในตัวเอง

ตัวกระตุ้น: เส้นทางสู่การลัดวงจรภายใน

ในการจำแนกทางวิชาการ thermal runaway มักถูกกระตุ้นด้วยการลัดวงจรภายในที่เกิดจากการใช้งานผิดวิธีทางกล ทางไฟฟ้า หรือทางความร้อน จุดร่วมคือ ไม่ว่าสถานการณ์การใช้งานผิดวิธีจะเป็นแบบใด ในที่สุดแอโนดและแคโทดจะสัมผัสกันภายในเซลล์ ตัวกระตุ้นหลัก ได้แก่:

  • ความเสียหายเชิงกล: การถูกบดขยี้ เจาะทะลุ ตกหล่น หรือชน; กระแสที่ไหลอย่างควบคุมไม่ได้ผลิตความร้อนจำนวนมาก
  • การชาร์จเกิน: การเกินขีดจำกัดแรงดันที่ออกแบบไว้ทำให้วัสดุภายในไม่เสถียร; อุปกรณ์ชาร์จที่ชำรุดหรือคุณภาพต่ำอาจฝ่าฝืนการป้องกันของ BMS ได้
  • ข้อผิดพลาดในการผลิต: อนุภาคโลหะขนาดจุลภาค ข้อบกพร่องของ separator หรือการปนเปื้อน อาจกลายเป็นการลัดวงจรภายในหลังผ่านไปหลายเดือนหรือหลายปี
  • ความร้อนสูงเกินไป: อุณหภูมิแวดล้อมสูง ไฟไหม้บริเวณโดยรอบ หรือการระบายความร้อนที่ไม่เพียงพอ

มีรายละเอียดหนึ่งที่สำคัญในแง่วิศวกรรม: ในเซลล์ที่เสื่อมสภาพและมี SOH ต่ำ ความร้อนที่เกิดจากการลัดวงจรภายในขนาดเล็กเพียงอย่างเดียวสามารถสูงพอที่จะกระตุ้นให้เกิด thermal runaway ได้ นั่นคือความเสี่ยงไม่ได้ปรากฏเฉพาะในช่วงเกิดอุบัติเหตุเท่านั้น แต่ยังปรากฏในช่วงปีท้ายๆ ของอายุการใช้งานเซลล์อีกด้วย

ปฏิกิริยาลูกโซ่: จากหนึ่งเซลล์สู่แพ็กเกจทั้งหมด

แพ็กเกจ EV สมัยใหม่ประกอบด้วยเซลล์หลายร้อยถึงหลายพันเซลล์ และภัยคุกคามหลักเริ่มต้นที่จุดนี้เอง ความเป็นไปได้ของ thermal runaway เพิ่มขึ้นตามจำนวนเซลล์ การลุกไหม้ของเซลล์เดียวยังไม่ใช่หายนะ หายนะที่แท้จริงคือการที่ความร้อนลุกลามไปยังเซลล์ข้างเคียง หากไม่มีสิ่งกีดขวางทางความร้อนและการระบายอากาศไม่เพียงพอ การแพร่กระจายจากเซลล์สู่เซลล์นี้สามารถเสร็จสิ้นได้ในเวลา ไม่ถึง 60 วินาที

ด้านการดับเพลิงก็มีสถานการณ์ที่แตกต่างออกไป กระบวนการนี้ปล่อยก๊าซหลายสิบชนิด และส่วนใหญ่เป็นพิษ: กรดต่างๆ เช่น HF, HCl และ HCN; CO, NH₃, SO₂, คาร์บอเนต และฟอร์มาลดีไฮด์ เนื่องจากความเข้มข้นของ HF และ CO เริ่มสูงขึ้นแม้กระทั่งก่อนที่ runaway จะเริ่มต้น การติดตามตรวจจับก๊าซเหล่านี้จึงสามารถให้การเตือนภัยล่วงหน้าได้ การระบายความร้อน หรือการใช้น้ำปริมาณมาก คือเป้าหมายการแทรกแซงหลัก แม้แต่หลังจากดับไฟแล้ว ความเสี่ยงของการลุกไหม้ซ้ำแบบล่าช้ายังคงอยู่เนื่องจากความร้อนตกค้างในเซลล์ จึงจำเป็นต้องมีการเฝ้าติดตามเป็นเวลานาน

ความปลอดภัยด้านวัสดุ: เคมีของตัวคั่นและอิเล็กโทรไลต์

ตัวคั่นพอลิเมอร์ที่ติดไฟได้และอิเล็กโทรไลต์เหลว ถูกระบุว่าเป็นสาเหตุหลักของอันตรายด้านความปลอดภัยของลิเทียมไอออน ด้วยเหตุนี้ แนวป้องกันแรกจึงถูกสร้างขึ้นภายในเซลล์เอง ในระดับเคมีของวัสดุ เป้าหมายด้านตัวคั่นคือชั้นฟิล์มที่รักษาโครงสร้างเมื่อสัมผัสความร้อนหรือปิดล้อมอย่างมีการควบคุม: ตัวคั่นที่หน่วงการติดไฟเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดในการป้องกันหรือจำกัด thermal runaway ตั้งแต่ต้น ยังมีสมดุลที่สำคัญอีกประการหนึ่ง: ในตัวคั่นอัจฉริยะ ประสิทธิภาพทางเคมีไฟฟ้าภายใต้สภาวะการทำงานปกติไม่ได้รับผลกระทบจากชั้นหน่วงการติดไฟ

ด้านอิเล็กโทรไลต์ สารเติมแต่งที่มีฟอสฟอรัสเป็นฐาน สารประกอบฟลูออไรด์ และของเหลวไอออนิก ถือเป็นกลุ่มสารเติมแต่งหน่วงการติดไฟหลัก สารเติมแต่งเหล่านี้ช่วยลดการปล่อยความร้อนของอิเล็กโทรไลต์และเพิ่มอุณหภูมิเริ่มต้นของการปล่อยความร้อน ตัวอย่างขั้วไฟฟ้าลบที่ทำงานด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่มีสารหน่วงการติดไฟแสดงการผลิตความร้อนที่น้อยกว่าและอุณหภูมิเริ่มต้นการแยกตัวที่สูงกว่า ในสถานการณ์ชาร์จไฟเกิน การใช้ γ-butyrolactone (γ-BL) ช่วยลดความเสี่ยงการระเบิดได้อย่างชัดเจน แต่ก็ไม่ไร้ข้อจำกัด: เนื่องจากความเสี่ยงการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์เหลวยังคงอยู่แม้มีสารเติมแต่ง นักวิจัยจึงหันไปสนใจทางเลือกอื่น เช่น อิเล็กโทรไลต์แข็ง

การเลือกเคมีของเซลล์: NMC หรือ LFP?

การตัดสินใจด้านความปลอดภัยที่สำคัญที่สุดที่ทำก่อนการออกแบบแพ็กเกจคือตัวเคมีของเซลล์นั่นเอง NMC ให้ความจุและกำลังสูง แต่แลกมาด้วยเสถียรภาพทางความร้อนที่อุณหภูมิสูง LFP ปลอดภัยกว่า ถูกกว่า และโดยทั่วไปมีอายุการใช้งานยาวนานกว่า

คุณสมบัติNMCLFP
จุดเริ่มต้นของ thermal runaway150-210°C (ในบางการวัดอยู่ราว 160°C)270–300°C (บางการวัดคงเสถียรถึง 230°C)
ความเสถียรทางความร้อนเสถียรภาพน้อยกว่า มีแนวโน้มเกิด runaway มากกว่าความเสถียรทางความร้อนที่เหนือกว่า
การผลิตก๊าซหลังเกิด runawayมากกว่าต่ำกว่า
ความจุและกำลังสูงกว่าต่ำกว่า
จุดอ่อนที่รู้จักกันดีอุณหภูมิการเผาไหม้สูงกว่ามีแนวโน้มเกิดความไม่สมดุลของเซลล์

ความแตกต่างของอุณหภูมิเริ่มต้นในการวัดที่แตกต่างกันไม่ใช่ข้อขัดแย้ง แต่เป็นความแตกต่างของวิธีวัดและรูปแบบเซลล์ ทั้งสองชุดตัวเลขชี้ไปที่ผลลัพธ์เดียวกัน: NMC เข้าสู่ runaway ได้เร็วกว่าและร้อนกว่า ส่วน LFP ประสบเหตุการณ์นี้ช้ากว่ามาก

สถาปัตยกรรมแพ็ก: ฉนวนกั้น ช่องระบาย และ NTP

Isı yayılmasını bastıran aerogel bariyerler ve kontrollü tahliye kanalları, pil paketinde bir hücrenin yanmasını bütün araca dönüştürmeyi engelliyor.

ไม่ว่าเคมีของเซลล์จะเป็นแบบใด แนวป้องกันชั้นที่สองของผู้ผลิตคือสถาปัตยกรรมทางกายภาพของแพ็ก เป้าหมายคือป้องกันไม่ให้ความล้มเหลวของเซลล์เดียวลุกลามไปทั้งแพ็ก โดยแนวทางนี้เรียกว่า NTP หรือ No Thermal Propagation องค์ประกอบสามส่วนมารวมกัน: ฉนวนกันไฟ ช่องระบายอากาศ และ BMS อัจฉริยะที่ติดตามทุกเซลล์

ฉนวนกั้นความร้อนระหว่างเซลล์

ฉนวนกั้นความร้อนและชั้นฉนวนจะตัดการแพร่กระจายของความร้อนทางกายภาพเมื่อเซลล์หนึ่งเข้าสู่สภาวะ runaway งานรวบรวมปี 2026 แสดงให้เห็นว่าฉนวนกั้นความร้อนสามารถกดการแพร่กระจายของก๊าซร้อนและเปลวไฟที่หลุดออกจากเซลล์ได้อย่างมีนัยสำคัญ ในทางปฏิบัติ ผ้าห่ม aerogel และสารเคลือบชนิด intumescent ที่ขยายตัวเมื่อโดยความร้อนถูกวางไว้ระหว่างเซลล์ วัสดุฉนวนในรูปแบบบางเฉียบสามารถให้ทั้งการป้องกันความร้อนและเชิงกลตลอดอายุการใช้งานของยานพาหนะ

ช่องระบายและช่องระบายอากาศ

เมื่อก๊าซสะสมตัว การระเบิดเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ด้วยเหตุนี้การระบายแบบควบคุมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง การออกแบบช่องระบายแบบมี manifold จะนำก๊าซร้อนออกจากแพ็ก และช่องต้องได้รับการออกแบบเป็นพิเศษเพื่อไม่ให้ถูกอุดตันด้วยวัสดุแข็ง CATL ได้นำเสนอตัวอย่างเชิงพาณิชย์ของแนวทางนี้ด้วยช่องระบายอากาศที่บูรณาการภายในแพ็กและฉนวนกั้นที่หยุดการแพร่กระจายของเปลวไฟเมื่อเกิดความผิดปกติทางความร้อน ตรรกะชัดเจน: หากป้องกัน runaway ได้ไม่ทั้งหมด ก็ขังมันไว้ในเซลล์เดียว

BMS และการติดตาม: การจับสังเกตก่อนที่ runaway จะลุกลาม

ระบบจัดการแบตเตอรี่หรือ BMS ติดตามอุณหภูมิ แรงดัน กระแส และสุขภาพโดยรวมของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง ตรวจจับสภาวะผิดปกติก่อนที่ thermal runaway จะลุกลามและดำเนินการแก้ไข ณ ปี 2026 ความลับของแพ็กที่ปลอดภัยกว่าคือ BMS ต้องมองเห็นและตีความสัญญาณที่ถูกต้อง: ความผิดปกติของแรงดัน ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเซลล์ และข้อมูลการปล่อยก๊าซถูกประเมินร่วมกัน

ชั้นการติดตามกำลังขยายตัวอย่างรวดเร็ว เซ็นเซอร์ตรวจจับการปล่อยก๊าซและการตรวจจับความผิดปกติของอุณหภูมิกำลังถูกบูรณาการเข้ากับการติดตั้งแบตเตอรี่ขนาดใหญ่มากขึ้น สำหรับระบบติดตามความร้อนแบบอินฟราเรดและระบบเตือนภัยล่วงหน้า ได้มีการเผยแพร่เอกสารเทคนิค white paper เฉพาะทางในเดือนกุมภาพันธ์ 2026 ตัวเลขก็แสดงให้เห็นถึงความสำคัญที่อุตสาหกรรมให้กับสาขานี้เช่นกัน: ตลาดระบบจัดการความร้อนแบตเตอรี่ EV อยู่ที่ระดับ 7,000 ล้านดอลลาร์ ในปี 2025 โดยคาดการณ์สำหรับปี 2026 ที่ 9,200 ล้านดอลลาร์ และคาดว่าจะไปถึง 75,100 ล้านดอลลาร์ ภายในปี 2033 ในด้านหน่วยงานกำกับดูแล NHTSA กำลังประสานงานการวิจัยและกิจกรรมต่างๆ ภายใต้ Battery Safety Initiative เพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ EV

แบตเตอรี่โซลิดสเตตในอนาคตจะขจัดความเสี่ยงนี้ได้หรือไม่?

การออกแบบโซลิดสเตตจะขนส่งไอออนด้วยวัสดุแข็งแทนสารน้ำยาอิเล็กโทรไลต์ เนื่องจากอิเล็กโทรไลต์แบบแข็งมักไม่ติดไฟ จึงคาดว่าสามารถลดโอกาสเกิด thermal runaway ได้อย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ยังมีศักยภาพด้านความหนาแน่นพลังงานที่สูงขึ้นและการชาร์จที่เร็วขึ้นอีกด้วย อย่างไรก็ตาม สถานการณ์ยังไม่ชัดเจน: การจัดจำหน่ายเชิงพาณิชย์ยังคงจำกัด และความท้าทายทางวิศวกรรมที่ร้ายแรงต้องได้รับการแก้ไข โดยสรุป โซลิดสเตตคือความหวังในอนาคตที่แข็งแกร่งที่สุดในด้านเคมีของวัสดุ แต่แพ็กเกจในปัจจุบันยังคงพึ่งพาสถาปัตยกรรมการป้องกันแบบหลายชั้น

ไฟไหม้แบตเตอรี่ EV เกิดบ่อยกว่าไฟไหม้รถยนต์เบนซินหรือไม่?

คำตอบที่สมดุลสำหรับคำถามนี้คือ: ไม่ ตามสถิติแล้วเกิดขึ้นน้อยกว่า แต่ยากกว่า เหตุเพลิงไหม้ประมาณ 25 ครั้งต่อการขาย 100,000 คัน เกิดขึ้นในรถยนต์ไฟฟ้าเต็มรูปแบบ ขณะที่อัตรานี้ในรถเบนซินอยู่ที่ประมาณ 1,530 การประเมินที่อ้างอิงจากการศึกษาสี่ชิ้นที่แยกจากกันยืนยันว่ารถเบนซินมีแนวโน้มเกิดเพลิงไหม้มากกว่ารถไฟฟ้า มีรายงานว่าแม้แต่รถยนต์ไฮบริดก็ติดไฟบ่อยกว่า EV

ความจริงอีกประการหนึ่งคือตัวเลขนี้ไม่ควรถูกตีความแยกจากกัน วิธีการเปรียบเทียบ การกระจายประเภทยานพาหนะ และนิยามของเพลิงไหม้ยังคงเป็นที่ถกเถียง และยังมีข้อวิจารณ์ว่ากราฟยอดนิยมอาจทำให้เข้าใจผิดได้ ยิ่งไปกว่านั้น ความที่ไฟไหม้ EV เกิดขึ้นน้อยไม่ได้ทำให้มันง่ายขึ้นเลย: เนื่องจาก thermal runaway จึงควบคุมได้ยากเป็นพิเศษ การดับเพลิงอาจใช้เวลาหลายชั่วโมง และเนื่องจากความเสี่ยงที่จะลุกไหม้ซ้ำ จึงต้องมีการเฝ้าระวังเป็นเวลานาน บทสรุปที่ถูกต้องคือ: รถยนต์ไฟฟ้าติดไฟน้อยกว่า แต่เมื่อติดไฟ เหตุการณ์นั้นต้องการวินัยในการรับมือที่แตกต่างและเป็นเอกลักษณ์จากไฟไหม้รถเบนซิน

เมื่อมองจากมุมมองทางวิศวกรรม ภาพนี้น่าพอใจ: thermal runaway ยังไม่หายไปทั้งหมด แต่ได้ถูกเปลี่ยนให้เป็นเหตุการณ์ที่จัดการได้ด้วยการป้องกันแบบหลายชั้น - เคมีของเซลล์ที่คัดเลือก วัสดุหน่วงเพลิง สิ่งกีดขวางทางกายภาพ การระบายแบบควบคุม และระบบเตือนภัยล่วงหน้าตามเซ็นเซอร์ การกำจัดความเสี่ยงให้เป็นศูนย์ยังคงขึ้นอยู่กับการขยายขนาดของเคมีใหม่ๆ เช่น โซลิดสเตต

แหล่งข้อมูล