การเกิดภาวะความร้อนเกินควบคุม (Thermal runaway) คือรูปแบบความล้มเหลวที่วิศวกรแบตเตอรี่กลัวมากที่สุด: เมื่อเซลล์เริ่มเกิดความร้อนขึ้นเองอย่างไม่สามารถควบคุมได้ เหตุการณ์นี้สามารถลุกลามไปทั่วแพ็กและก่อให้เกิดไฟไหม้ ก๊าซพิษ ความเสียหายร้ายแรงต่ออุปกรณ์ หรืออาจรุนแรงถึงขั้นเสียชีวิต ลิเธียมไอออนฟอสเฟต (LFP) เคมีมีความเสถียรทางความร้อนโดยธรรมชาติมากกว่าสูตรลิเธียมพลังงานสูงหลายชนิด แต่ "เสถียรมากกว่า" ไม่ได้หมายความว่า "ปลอดภัยจากอันตรายทั้งหมด"การป้องกันการเกิดภาวะความร้อนเกินควบคุมในระบบการติดตั้งจริงจำเป็นต้องใช้กลยุทธ์แบบหลายชั้นที่ครอบคลุมตั้งแต่เคมีของเซลล์และการออกแบบ สถาปัตยกรรมของแพ็กและระบบระบายความร้อน ระบบการจัดการแบตเตอรี มาตรฐานการทดสอบ และแนวทางการปฏิบัติการที่มีวินัย บทความนี้จะอธิบายสาเหตุที่แท้จริง สัญญาณเตือนล่วงหน้า และการป้องกันที่สามารถนำไปใช้ได้ในภาคสนามซึ่งวิศวกรและทีมจัดซื้อควรให้ความสำคัญ

การเริ่มต้นของภาวะความร้อนเกินควบคุม — สาเหตุหลักที่พบได้บ่อย

การเกิดภาวะความร้อนเกินควบคุม (Thermal runaway) คือปฏิกิริยาลูกโซ่: ความร้อนเพิ่มขึ้นทำให้อัตราการเกิดปฏิกิริยาภายในเพิ่มขึ้น ซึ่งผลิตความร้อนเพิ่มขึ้น และดำเนินต่อไปเช่นนั้น วงจรนี้สามารถเริ่มต้นได้ในหลายวิธีที่สามารถคาดการณ์และป้องกันได้:

• การใช้งานไฟฟ้าอย่างไม่ถูกต้อง: การชาร์จไฟเกิน, แรงดันไฟฟ้าเกินอย่างต่อเนื่อง, หรือการลัดวงจรภายนอก/ภายใน จะทำให้อุณหภูมิของเซลล์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

• ความเสียหายทางกล การเจาะ, การบีบอัด, หรือการบิดเบี้ยวอาจทำให้เกิดการลัดวงจรภายในได้

• อุณหภูมิแวดล้อมหรืออุณหภูมิการทำงานที่สูงขึ้น: ความร้อนที่ต่อเนื่องจะเร่งปฏิกิริยาข้างเคียงและทำให้ตัวกั้นและขั้วไฟฟ้าอ่อนแอลง

• ข้อบกพร่องในการผลิตหรือการปนเปื้อน: สิ่งเจือปนขนาดเล็กมาก การเคลือบที่ไม่ดี หรือข้อบกพร่องจากการเชื่อม เพิ่มโอกาสของการลัดวงจรภายใน

การเข้าใจปัจจัยกระตุ้นเหล่านี้เป็นก้าวแรกสู่การบรรเทาผลกระทบ เพราะแต่ละปัจจัยมีมาตรการควบคุมทางเทคนิคที่สอดคล้องกัน การประเมินความเสี่ยงอย่างครอบคลุมแสดงให้เห็นว่าเคมีลิเธียมทุกชนิดมีความเสี่ยง แต่ความน่าจะเป็นและความรุนแรงอาจแตกต่างกันไปตามการออกแบบและมาตรการควบคุม

ทำไม LiFePO₄ ถึงมีพฤติกรรมที่แตกต่าง — การเปรียบเทียบในทางปฏิบัติ

โครงสร้างผลึกและเคมีของ LiFePO₄ ทำให้มีอุณหภูมิการสลายตัวทางความร้อนสูงกว่าและมีพลังงานเคมีที่เก็บไว้ต่อเซลล์ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับแคโทดที่มีนิกเกิลสูงหลายชนิดในทางปฏิบัติ นั่นหมายความว่าเซลล์ LFP สามารถทนต่อการใช้งานที่ไม่เหมาะสมและอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้ดีกว่า และมีแนวโน้มที่จะเกิดการลุกลามของความร้อนแบบฉับพลันน้อยกว่า คุณสมบัติทางเคมีนี้ช่วยลด—แต่ไม่ได้ขจัด—ความจำเป็นในการออกแบบระบบและการทดสอบอย่างรอบคอบ ผู้ออกแบบควรถือว่า LFP เป็นข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยที่ควรใช้ร่วมกับมาตรการควบคุมทางวิศวกรรม ไม่ใช่เป็นใบอนุญาตให้ลดทอนการป้องกัน

การควบคุมทางวิศวกรรมที่หยุดไม่ให้เซลล์เดียวกลายเป็นไฟไหม้ทั้งชุด

การป้องกันการแพร่กระจายจากเซลล์ที่ล้มเหลวเพียงเซลล์เดียวไปยังเซลล์ข้างเคียงเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง มาตรการทางเทคนิคที่สำคัญ ได้แก่:

• ระบบจัดการแบตเตอรี่ที่แข็งแกร่ง (BMS): ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ต้องมีการตรวจสอบแรงดันและอุณหภูมิของแต่ละเซลล์, การปรับสมดุลแบบแอคทีฟ, และตรรกะการตัดการทำงานที่มีความน่าเชื่อถือสูง สำหรับระบบที่ใช้ในยานพาหนะและระบบติดตั้งอยู่กับที่ การส่งข้อมูลระยะไกลของ BMS ที่รายงานแนวโน้มสถานะสุขภาพเป็นสิ่งจำเป็นในการตรวจจับการเสื่อมสภาพทีละน้อยก่อนที่เซลล์จะล้มเหลว

• การจัดการความร้อนและการแบ่งส่วน: เส้นทางนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพ, อุปสรรคทางความร้อนระหว่างโมดูล, และการระบายความร้อนเฉพาะจุดช่วยป้องกันไม่ให้ความร้อนสะสมในบริเวณหนึ่งทำให้อุณหภูมิของเซลล์ข้างเคียงสูงขึ้น ชุดแพ็คขั้นสูงใช้แผ่นกระจายความร้อน, วัสดุเปลี่ยนสถานะ, หรือการระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับการใช้งานที่มีกำลังสูง

• การออกแบบเชิงกลและการแยกส่วน ฐานรองรับแรงกระแทก, ตัวเรือนที่แข็งแรง, และการเว้นระยะห่างของเซลล์ช่วยลดโอกาสของการบาดเจ็บทางกลไกและชะลอการแพร่กระจายหากเซลล์มีการรั่วไหล

• การควบคุมคุณภาพการผลิต: การตรวจสอบย้อนกลับของห่วงโซ่อุปทาน, การประกอบในห้องสะอาด, และกระบวนการเชื่อม/เคลือบที่สม่ำเสมอ ช่วยลดการเกิดข้อบกพร่องแฝงที่อาจก่อให้เกิดการลัดวงจรภายในได้อย่างมาก

การปฏิบัติที่ช่วยลดความเสี่ยงอย่างมีนัยสำคัญ

การควบคุมในสนามมีความสำคัญเท่าเทียมกับการเลือกทางวิศวกรรม:

• เครื่องชาร์จที่ถูกต้องและโปรไฟล์การชาร์จ: ใช้ที่ชาร์จที่ตรงกับช่วง CC–CV ของแบตเตอรี่ LFP และไม่ควรเกินแรงดันไฟฟ้าต่อเซลล์ที่แนะนำ เหตุการณ์แรงดันไฟฟ้าเกินเป็นสาเหตุทั่วไปของการเกิดความเสียหาย

• ขั้นตอนที่คำนึงถึงอุณหภูมิ: หลีกเลี่ยงการชาร์จหรือการปล่อยประจุนอกช่วงอุณหภูมิที่ผู้ผลิตกำหนด และจัดให้มีการระบายอากาศหรือระบบทำความเย็นเมื่ออุปกรณ์ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

• การตรวจวัดทางไกลและแนวโน้มตามปกติ: การตรวจสอบบันทึกของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) อย่างสม่ำเสมอเพื่อระบุความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น ความไม่สมดุลของเซลล์ หรือการยอมรับการชาร์จที่ผิดปกติ ช่วยให้สามารถดำเนินการแก้ไขได้ทันท่วงทีก่อนที่จะเกิดอันตราย

• กฎเกณฑ์การเก็บรักษาและการขนส่ง: เก็บแพ็คในสภาพการชาร์จไฟระดับกลาง ในสภาพที่เย็นและแห้ง; ปฏิบัติตามกฎการขนส่งที่ออกแบบมาเพื่อลดความเครียดทางกลและทางความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด

มาตรฐาน การทดสอบ และการรับรอง — สิ่งที่ควรเรียกร้องจากซัพพลายเออร์

มาตรฐานมีอยู่เพราะการทดสอบที่ควบคุมได้เผยให้เห็นจุดอ่อนที่ประสบการณ์ภาคสนามอาจมองไม่เห็นโปรโตคอลการรับรองมาตรฐานในปัจจุบันกำหนดให้ต้องมีการทดสอบความล้มเหลวแบบบังคับและการแพร่กระจายความเสียหาย เพื่อให้มั่นใจว่าหากเกิดข้อผิดพลาดในเซลล์เดียว จะไม่ส่งผลให้เกิดไฟไหม้ลุกลามทั้งชุดแบตเตอรี่ ทีมจัดซื้อควรกำหนดให้ต้องมีหลักฐานการทดสอบจากหน่วยงานอิสระ (เช่น การปฏิบัติตามมาตรฐาน UL หรือ IEC ที่เกี่ยวข้อง) และขอตรวจสอบโปรโตคอลการทดสอบที่ใช้ในการอ้างอิงข้อเรียกร้องต่าง ๆ การรับรองจากบุคคลที่สามเหล่านี้ถือเป็นสัญญาณที่น่าเชื่อถือที่สุดประการหนึ่งที่ผู้จำหน่ายสามารถแสดงให้เห็นว่าชุดแบตเตอรี่ของตนได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมให้สามารถควบคุมและทนต่อความเสียหายภายในได้

การตอบสนองต่อเหตุการณ์ — ขั้นตอนปฏิบัติหากแบตเตอรี่ร้อนเกินไป

แม้จะพยายามอย่างดีที่สุดแล้ว เซลล์ก็อาจล้มเหลวได้ เตรียมแผนฉุกเฉินที่ครอบคลุมการตรวจจับ การแยก และการกำจัดอย่างปลอดภัย:

1. การแยกตัวทันที: ตัดวงจรการชาร์จและการคายประจุผ่าน BMS disconnect หรือการแยกด้วยตนเอง

2. การอพยพและการระบายอากาศ: ให้ความสำคัญกับความปลอดภัยของบุคลากรเป็นอันดับแรก และระบายอากาศในพื้นที่เพื่อกระจายก๊าซพิษ

3. การระงับและการระบายความร้อน: อนุญาตให้พลังงานความร้อนกระจายออกไปอย่างปลอดภัย; ในกรณีส่วนใหญ่ ไม่ควรพยายามทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วหรือเจาะแบตเตอรี่ที่กำลังลุกไหม้

4. การตรวจสอบและการทดแทน: หลังเหตุการณ์ จับบันทึกข้อมูล BMS และหลักฐานทางกายภาพเพื่อระบุสาเหตุที่แท้จริงและแจ้งให้ดำเนินการแก้ไข

การมีขั้นตอนการรับมือเหตุการณ์ที่มีเอกสารเป็นลายลักษณ์อักษรและได้รับการฝึกปฏิบัติช่วยลดความตื่นตระหนกและเร่งการฟื้นฟูในขณะที่ปกป้องผู้คนและทรัพย์สิน

รายการตรวจสอบการจัดซื้อสำหรับระบบ LFP ความเสี่ยงต่ำ (อ้างอิงด่วน)

• กำหนดให้มีการวัดข้อมูลระยะไกลและระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่มีการปรับสมดุลแบบเฉพาะเซลล์ พร้อมบันทึกข้อมูลจากระยะไกล

• เรียกร้องให้มีการทดสอบการแพร่กระจายและความปลอดภัยที่เป็นอิสระภายใต้มาตรฐานที่ได้รับการยอมรับ

• ตรวจสอบบันทึกการประกันคุณภาพการผลิตและการตรวจสอบย้อนกลับ

• ตรวจสอบความเข้ากันได้ของที่ชาร์จและจัดเตรียมโครงสร้างพื้นฐานสำหรับการชาร์จที่มีระดับอุณหภูมิที่เหมาะสม

• ระบุมาตรการกักเก็บทางกลและทางความร้อนในการออกแบบบรรจุภัณฑ์

ข้อกำหนดเหล่านี้เปลี่ยนข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยของเคมีภัณฑ์ให้กลายเป็นความน่าเชื่อถือของระบบที่สามารถคาดการณ์ได้และตรวจสอบได้

ข้อคิดสุดท้าย — ผสมผสานเคมีเข้ากับวินัย

LiFePO₄ มอบขอบเขตความปลอดภัยที่มีความหมายเมื่อเทียบกับเคมีลิเธียมหลายชนิด แต่ความปลอดภัยในโลกแห่งความเป็นจริงมาจากวิศวกรรมระบบ: เคมี, BMS, การออกแบบความร้อน, ความมีวินัยในการผลิต และการควบคุมการดำเนินงานที่ทำงานร่วมกันองค์กรที่ให้ความสำคัญกับความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในฐานะโปรแกรม ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ คือองค์กรที่สามารถขจัดความเสี่ยงจากการเกิดภาวะความร้อนสูงเกินควบคุมในทางปฏิบัติได้ ยืนยันให้ได้รับข้อมูลที่โปร่งใส การทดสอบโดยอิสระ และข้อมูลจากระบบ BMS แบบเรียลไทม์จากซัพพลายเออร์ของคุณ เพื่อให้เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นได้ยากกลายเป็นปัญหาทางวิศวกรรมที่สามารถจัดการได้ แทนที่จะกลายเป็นวิกฤต