แกะรอยไฟไหม้รถยนต์ไฟฟ้า จากผลึกลิเธียมจิ๋วสู่ความร้อนลามทั้งแบตเตอรี่

ไฟก้อนใหญ่ อาจเริ่มจากจุดลัดวงจรเล็กกว่าปลายเข็ม

ภาพรถยนต์ไฟฟ้าที่จอดนิ่งอยู่แล้วมีควันพวยพุ่ง ก่อนเปลวไฟจะลุกจากใต้ท้องรถ มักทำให้เกิดคำถามว่าแบตเตอรี่ซึ่งไม่มีน้ำมันเชื้อเพลิงติดอยู่เต็มถัง เหตุใดจึงเกิดไฟรุนแรงได้ คำตอบซ่อนอยู่ในเซลล์แบตเตอรี่หลายร้อยหรือหลายพันเซลล์ ภายในแต่ละเซลล์มีวัสดุขั้วบวก ขั้วลบ น้ำยาอิเล็กโทรไลต์ และแผ่นกั้นบางระดับสิบไมโครเมตรวางซ้อนกันแน่นหนา ความผิดปกติเพียงจุดเดียวจึงอาจเปิดทางให้ปฏิกิริยาความร้อนขยายตัวต่อเนื่องได้

ผลึกแหลมไม่ได้เกิดจากไอออนเรียงตัวผิดธรรมดา

ระหว่างชาร์จ ไอออนลิเธียมจะเคลื่อนผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปเก็บตัวในโครงสร้างของขั้วลบ ซึ่งมักทำจากแกรไฟต์ หากระบบทำงานอยู่ในช่วงอุณหภูมิและกระแสที่เหมาะสม กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นอย่างค่อนข้างเป็นระเบียบ แต่เมื่อชาร์จเร็วเกินไป ชาร์จขณะเซลล์เย็นจัด ชาร์จเกินกำหนด หรือเซลล์เสื่อมจนรับไอออนได้ไม่ทัน ลิเธียมบางส่วนอาจไปเกาะเป็นโลหะบนผิวขั้วลบ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเคลือบตัวของลิเธียม

ชั้นโลหะที่ก่อตัวไม่ได้เรียบเสมอกันทุกครั้ง บางตำแหน่งอาจงอกเป็นเส้นใยหรือแขนงแหลมคล้ายรากไม้ขนาดจิ๋ว นักวิจัยเรียกโครงสร้างลักษณะนี้ว่าเดนไดรต์ หากมันยืดยาวจนข้ามแผ่นกั้นและแตะอีกขั้วหนึ่ง กระแสไฟฟ้าจะไหลผ่านทางลัดภายในเซลล์ เกิดเป็นจุดร้อนที่มองไม่เห็นจากภายนอก

แต่เดนไดรต์ไม่ใช่คำตอบของไฟไหม้รถยนต์ไฟฟ้าทุกคัน

การกระแทกรุนแรงอาจบีบหรือฉีกแผ่นกั้นโดยตรง เศษโลหะจากกระบวนการผลิตอาจเชื่อมสองขั้วเข้าหากัน ความร้อนสะสมอาจทำให้แผ่นกั้นหดตัว ส่วนการชาร์จเกินหรือวงจรไฟฟ้าขัดข้องก็สร้างจุดร้อนได้เช่นกัน ดังนั้นการสรุปว่าไฟไหม้ฉับพลันทุกกรณีเกิดจากผลึกลิเธียมแทงทะลุแผ่นกั้นจึงไม่ถูกต้อง เดนไดรต์เป็นกลไกเสี่ยงที่สำคัญชนิดหนึ่ง ไม่ใช่ผู้ต้องหาเพียงรายเดียว

จากจุดร้อนเล็กจิ๋ว สู่ปฏิกิริยาที่เร่งตัวเอง

เมื่อเกิดการลัดวงจรภายใน กระแสจำนวนมากจะไหลผ่านพื้นที่แคบและเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน หากความร้อนระบายไม่ทัน อุณหภูมิจะสูงจนชั้นป้องกันบนผิวขั้วลบเริ่มสลาย อิเล็กโทรไลต์เกิดปฏิกิริยากับวัสดุภายใน แผ่นกั้นอ่อนตัวหรือหลอม และขั้วบวกบางชนิดอาจปล่อยออกซิเจนออกมาช่วยเร่งการเผาไหม้

แต่ละปฏิกิริยาปล่อยความร้อนเพิ่ม แล้วความร้อนที่เพิ่มขึ้นก็ไปเร่งปฏิกิริยารอบถัดไป วงจรนี้เรียกว่า ภาวะความร้อนพุ่งไม่หยุด เซลล์จะสร้างก๊าซจนความดันสูง วาล์วระบายอาจเปิดพร้อมเสียงฟู่หรือเสียงแตก ก๊าซร้อนที่มีส่วนผสมติดไฟได้พุ่งออกมาแล้วติดไฟเมื่อพบออกซิเจน ภาพที่เห็นจึงคล้ายไฟเกิดขึ้นฉับพลัน ทั้งที่ความเสียหายภายในอาจสะสมมาก่อนหน้านั้นแล้ว

ตัวเลขหนึ่งพันองศาเซลเซียสต้องอ่านอย่างระมัดระวัง เปลวไฟหรือกระแสก๊าซร้อนจากเซลล์ที่เกิดภาวะรุนแรงอาจมีอุณหภูมิสูงมาก และบางการทดสอบตรวจพบระดับใกล้เคียงหรือมากกว่าหนึ่งพันองศาเซลเซียส แต่ไม่ได้หมายความว่าแบตเตอรี่ทั้งก้อนจะกระโดดไปถึงอุณหภูมินั้นพร้อมกันภายในเสี้ยววินาที ส่วนต่างๆ ของเซลล์และแพ็กมีอุณหภูมิไม่เท่ากัน การลุกลามอาจกินเวลาตั้งแต่วินาทีไปจนถึงหลายนาที ขึ้นกับชนิดเซลล์ ระดับประจุ ระบบระบายความร้อน และโครงสร้างป้องกันระหว่างโมดูล

เหตุใดเซลล์เดียวจึงพาเพื่อนบ้านร้อนไปด้วย

เซลล์ในแพ็กถูกจัดเรียงชิดกันเพื่อให้เก็บพลังงานได้มาก เมื่อเซลล์หนึ่งคายความร้อนและก๊าซร้อนออกมา เซลล์ข้างเคียงจะรับความร้อนผ่านผนังโลหะ จุดเชื่อม และอากาศภายในแพ็ก หากฉนวนหรือแผงกั้นความร้อนไม่สามารถชะลอเหตุการณ์ได้ เซลล์ถัดไปอาจเข้าสู่ภาวะเดียวกัน เกิดเป็นการลามต่อกันทีละเซลล์คล้ายโดมิโน

ผู้ผลิตจึงไม่ได้พึ่งระบบตัดไฟเพียงอย่างเดียว แบตเตอรี่สมัยใหม่มีระบบบริหารจัดการที่ตรวจแรงดัน กระแส และอุณหภูมิ มีวงจรตัดการชาร์จ ระบบหล่อเย็น ช่องระบายก๊าซ โครงสร้างรับแรงกระแทก และวัสดุกั้นความร้อนระหว่างเซลล์ แผ่นกั้นบางชนิดยังถูกออกแบบให้รูพรุนปิดตัวเมื่อร้อน เพื่อหยุดการไหลของไอออนก่อนความเสียหายขยายวง

• แบตเตอรี่เคมีลิเธียมเหล็กฟอสเฟตทนความร้อนได้ดีกว่าเคมีนิกเกิลสูงโดยทั่วไป แต่ยังเกิดการลัดวงจรและไฟไหม้ได้

• ระดับประจุสูงทำให้มีพลังงานสะสมมาก เหตุขัดข้องจึงมีโอกาสรุนแรงขึ้น

• อุบัติเหตุที่ใต้ท้องรถเสียหายอาจกระทบเซลล์ แม้ตัวถังด้านบนดูไม่ยุบมาก

• ระบบบริหารแบตเตอรี่ช่วยลดความเสี่ยงได้ แต่ไม่อาจซ่อมแผ่นกั้นที่ฉีกหรือเซลล์ที่เสียหายทางกายภาพ

ความปลอดภัยเริ่มจากการไม่มองข้ามอาการผิดปกติ

หากรถแจ้งเตือนระบบแบตเตอรี่ มีความร้อนผิดปกติ ได้กลิ่นฉุน ได้ยินเสียงฟู่ หรือพบควันจากใต้ท้องรถ ควรจอดในพื้นที่ปลอดภัย ปิดรถ ออกจากบริเวณ และแจ้งเจ้าหน้าที่ทันที ไม่ควรเปิดฝาครอบแบตเตอรี่หรือพยายามสัมผัสชิ้นส่วนแรงดันสูง รถที่เพิ่งชนหนักหรือท้องรถกระแทกควรได้รับการตรวจจากศูนย์ที่มีอุปกรณ์เฉพาะ แม้ยังขับต่อได้ตามปกติ เพราะความเสียหายภายในบางชนิดยังไม่แสดงอาการในทันที

ไฟไหม้แบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าจึงไม่ใช่เรื่องของผลึกลึกลับที่งอกขึ้นแล้วระเบิดทันที แต่เป็นผลจากความผิดปกติหลายชั้น ตั้งแต่ระดับผิวขั้วไฟฟ้า แผ่นกั้น ระบบควบคุม ไปจนถึงการจัดการความร้อนของทั้งแพ็ก จุดเริ่มต้นอาจเล็กระดับจุลภาค ทว่าความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาของตัวเองทำให้เหตุการณ์ขยายใหญ่ได้รวดเร็ว ความเข้าใจกลไกที่ถูกต้องช่วยให้เราแยกข่าวที่อธิบายเกินจริงออกจากความเสี่ยงจริง และมองเห็นเหตุผลว่าทำไมวิศวกรจึงให้ความสำคัญกับทุกชั้นบางๆ ที่ซ่อนอยู่ใต้พื้นรถ