เหตุใดแบตเตอรี่ถึงบวม?

ภาพย่อ

การพองตัวในแบตเตอรี่ลิเธียมที่ใช้ในอากาศยานไร้คนขับ (UAV) เป็นปรากฏการณ์เสื่อมสภาพที่สำคัญซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือและการปลอดภัยในการปฏิบัติการ งานวิจัยนี้นำเสนอการตรวจสอบอย่างกว้างขวางและเป็นระบบเกี่ยวกับกลไกทางฟิสิกส์และเคมีที่ก่อให้เกิดการพองตัว แยกแยะพฤติกรรมการพองตัวที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานและการจัดเก็บ ประเมินอันตรายที่เกี่ยวข้อง และเสนอแนวทางป้องกันที่อิงจากหลักฐาน โดยการผสานทฤษฎีอิเล็กโทรเคมีเข้ากับรูปแบบการใช้งานเฉพาะของ UAV การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อสนับสนุนการบังคับใช้โดรนอย่างปลอดภัยมากขึ้น และช่วยแนะนำการปรับปรุงในอนาคตสำหรับระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

1.การนําเสนอ

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) และลิเธียมโพลีเมอร์ (LiPo) ได้กลายเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับ UAV เนื่องจากมีความหนาแน่นของพลังงานสูง โครงสร้างเบา และคุณสมบัติการปล่อยประจุที่เสถียร เมื่อการใช้งาน UAV ขยายตัวไปยังสาขาต่างๆ เช่น การทำแผนที่ทางอากาศ เกษตรแม่นยำ การช่วยเหลือฉุกเฉิน และการตรวจสอบอุตสาหกรรม ความน่าเชื่อถือของระบบพลังงานบนเครื่องจึงมีความสำคัญเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ
แม้จะมีข้อดี แต่แบตเตอรี่แบบลิเธียมมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพเมื่อสัมผัสกับความเครียดจากความร้อน การกระแทกทางกล การชาร์จที่ไม่เหมาะสม หรือสภาวะการจัดเก็บที่ไม่เหมาะสม หนึ่งในรูปแบบการเสื่อมสภาพที่พบบ่อยคือ การพองตัวของแบตเตอรี่ ซึ่งแสดงออกโดยการขยายตัวผิดปกติของถุงหุ้มเซลล์หรือเปลือกหุ้ม และได้กลายเป็นปัญหาความปลอดภัยที่สำคัญ การพองตัวไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังเพิ่มความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้ แตกระเบิด และการปล่อยก๊าซพิษ
เอกสารฉบับนี้ได้ขยายผลการวิจัยที่มีอยู่เดิม โดยนำเสนอการวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับกลไกการพองตัว ปัจจัยที่มีส่วนเกี่ยวข้อง และมาตรการป้องกันที่เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมการปฏิบัติงานของ UAV

2. การจำแนกประเภทปรากฏการณ์การพองตัวของแบตเตอรี่

2.1 การพองตัวชั่วคราวระหว่างการทำงานภายใต้ภาระหนัก

ในภารกิจการบินที่ต้องใช้พลังงานสูง แบตเตอรี่ของ UAV อาจเกิดอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเนื่องจากกระแสไฟฟ้าคายประจุสูง กิจกรรมต่างๆ เช่น การเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว การลอยตัวในลมแรง หรือการบรรทุกน้ำหนักมาก จะทำให้ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นและเกิดความร้อนมากขึ้น
เมื่ออุณหภูมิของเซลล์สูงกว่าเกณฑ์การปฏิบัติงานที่แนะนำ (โดยทั่วไปเกิน 40–45°C) จะเริ่มเกิดปฏิกิริยาเคมีรอง (parasitic reactions) ซึ่งรวมถึงการสลายตัวบางส่วนของตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์และการเสื่อมสภาพของชั้น SEI (Solid Electrolyte Interphase) ก๊าซที่เกิดเป็นผลพลอยได้ เช่น CO₂, H₂ และไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลต่ำ จะสะสมอยู่ภายในเปลือกหุ้มแบตเตอรี่ที่ปิดสนิท

อาการบวมนี้โดยทั่วไปสามารถกลับคืนได้ เมื่อแบตเตอรี่เย็นลง ความดันภายในจะลดลง และเปลือกหุ้มอาจกลับคืนสู่รูปร่างเดิม อย่างไรก็ตาม การถูกทำให้ร้อนซ้ำๆ จะเร่งการเสื่อมสภาพของ SEI เพิ่มความต้านทานภายใน และส่งเสริมการเสื่อมสภาพในระยะยาว ตลอดเวลา การบวมชั่วคราวอาจพัฒนาไปเป็นการบวมถาวร หากความเครียดจากความร้อนยังคงเกิดขึ้นต่อเนื่อง

2.2 การบวมถาวรระหว่างการจัดเก็บ

การบวมที่เกิดขึ้นระหว่างการจัดเก็บมักรุนแรงกว่าและบ่งชี้ถึงความเสียหายภายในถาวร ต่างจากการบวมขณะใช้งาน ซึ่งมักเกิดจากอุณหภูมิ การบวมที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บมักเชื่อมโยงกับความไม่เสถียรทางไฟฟ้าเคมีและการเสื่อมสภาพในระยะยาว

2.2.1 การเสื่อมสภาพจากวงจรการใช้งาน

แบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมเป็นพื้นฐานจะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างและทางเคมีในแต่ละรอบการชาร์จ-ปล่อยประจุ หลังจากรอบการใช้งานหลายร้อยครั้ง ชั้น SEI จะหนาขึ้น วัสดุเชิงกิจกรรมจะแยกตัวออก และความพรุนของอิเล็กโทรดจะลดลง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น และส่งเสริมปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดก๊าซ
เมื่อแบตเตอรี่ใกล้ถึงจุดสิ้นสุดอายุการใช้งาน แม้แต่ปัจจัยกระตุ้นเล็กน้อย เช่น การชาร์จเกินเล็กน้อย หรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย ก็อาจทำให้เกิดการบวมได้

2.2.2 สภาวะการจัดเก็บที่ไม่เหมาะสม

ปัจจัยที่เกี่ยวข้องกับการจัดเก็บหลายประการเพิ่มความเสี่ยงในการบวมอย่างมีนัยสำคัญ:
● การคายประจุลึก (<3.0 V ต่อเซลล์) อาจทำให้ทองแดงละลายจากตัวนำกระแสฝั่งแอนโอด ส่งผลให้เกิดวงจรลัดวงจรภายใน
● ความเสียหายทางกลสามารถทำให้ตัวแยกฉนวนเสียหาย ทำให้ขั้วไฟฟ้าสัมผัสกันโดยตรงได้
● การที่ความชื้นเข้ามาจะทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบของอิเล็กโทรไลต์ ทำให้เกิดความร้อนและก๊าซ
● การจัดเก็บในสภาวะประจุไฟฟ้าสุดขั้วเร่งให้เกิดการออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์และความไม่เสถียรของ SEI
● การจัดเก็บที่อุณหภูมิสูง (30°C) เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาและก่อให้เกิดก๊าซ
ปัจจัยเหล่านี้ร่วมกันทำให้เกิดการพองตัวอย่างถาวร มักมาพร้อมกับการสูญเสียความจุและความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้า

3. กลไกทางฟิสิกส์และเคมีของการพองตัว

3.1 การสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์

อิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ออร์แกนิกคาร์บอเนตมีความไวต่อความร้อน เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิสูงหรือแรงดันเกิน จะสลายตัวเป็นผลพลอยได้ในรูปก๊าซ การสลายตัวนี้ถือเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้แบตเตอรี่พองตัว

3.2 การเคลือบลิเธียมและการเกิดเดนไดรต์

การชาร์จที่อุณหภูมิต่ำหรือแรงดันสูง อาจทำให้ลิเธียมโลหะตกตะกอนบนพื้นผิวแอนโอด การเคลือบลิเธียมจะลดความจุและเพิ่มความต้านทานภายใน ที่สำคัญยิ่งไปกว่านั้น ลิเธียมโลหะมีความไวต่อปฏิกิริยาสูง และสามารถเริ่มต้นปฏิกิริยากับตัวทำละลายอิเล็กโทรไลต์จนเกิดก๊าซได้

3.3 ความไม่เสถียรของชั้น SEI

ชั้น SEI มีความสำคัญต่อการสร้างเสถียรภาพที่บริเวณอินเตอร์เฟซระหว่างขั้วลบและอิเล็กโทรไลต์ อย่างไรก็ตาม ความเครียดจากความร้อน การชาร์จเกิน หรือการเปลี่ยนรูปร่างทางกล อาจทำให้เกิดการแตกร้าวของชั้น SEI การสลายตัวของชั้น SEI ซ้ำๆ จะทำให้สิ้นเปลืองอิเล็กโทรไลต์ และก่อให้เกิดก๊าซ ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้แบตเตอรี่พอง

3.4 การเสื่อมสภาพของแผ่นแยก (Separator)

แผ่นแยกเป็นเยื่อพอลิเมอร์ที่มีรูพรุน ทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสองสัมผัสกันโดยตรง แรงกระแทกทางกล อุณหภูมิสูงเกินไป หรือข้อบกพร่องในการผลิต อาจทำให้แผ่นแยกลดความแข็งแรงลง เมื่อแผ่นแยกเสียหายแล้ว อาจเกิดวงจรลัดวงในได้ ซึ่งนำไปสู่การสร้างความร้อนอย่างรวดเร็วและการปลดปล่อยก๊าซ

4. การระบุและประเมินแบตเตอรี่ที่พอง

การตรวจพบอาการพองแต่เนิ่นๆ มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการป้องกันอุบัติเหตุ ตัวบ่งชี้หลักๆ ได้แก่
● การเปลี่ยนรูปร่างหรือขยายตัวที่เห็นได้ชัดของเปลือกแบตเตอรี่
● ยากต่อการใส่หรือถอดแบตเตอรี่ออกจากโดรน (UAV)
● กลิ่นสารเคมีหวานหรือฉุน
● เวลาการบินลดลง หรือแรงดันไฟฟ้าไม่คงที่
● อุณหภูมิสูงผิดปกติขณะชาร์จหรือคายประจุ
ต้องนำแบตเตอรี่ที่บวมออกจากการใช้งานทันที การพยายามเจาะหรือกดอัดแบตเตอรี่เพื่อปล่อยแรงดันภายในมีความอันตรายอย่างยิ่ง และอาจทำให้เกิดการลุกไหม้ได้

5. ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่เกี่ยวข้องกับการบวม

5.1 การลุกไหม้และการเกิดภาวะความร้อนสะสม (Thermal Runaway)
วงจรลัดวงในหรือปฏิกิริยาที่ปล่อยความร้อน อาจทำให้เกิดภาวะความร้อนสะสม ซึ่งเป็นกระบวนการที่เร่งตัวเองและอาจนำไปสู่การลุกไหม้ได้

5.2 การแตกตัวทางกล
แรงดันภายในที่สูงเกินไป อาจทำให้เปลือกหุ้มแบตเตอรี่แตก ปล่อยแก๊สร้อนและอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้ออกมา

5.3 การปล่อยก๊าซพิษ
ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์ อาจรวมถึงไอสารอินทรีย์ที่เป็นอันตราย ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายต่อระบบทางเดินหายใจ

5.4 ความเสียหายต่อโครงสร้างของ UAV
แบตเตอรี่ที่บวมอาจทำให้ช่องใส่แบตเตอรี่ของ UAV เบี้ยว ทำให้ขั้วต่อเสียหาย หรือรบกวนการทำงานของระบบระบายความร้อน

6. กลยุทธ์การป้องกัน

6.1 การจัดการการชาร์จ
● ใช้ที่ชาร์จที่ผู้ผลิตอนุมัติเท่านั้น และหลีกเลี่ยงการชาร์จเร็ว เว้นแต่จะรองรับอย่างชัดเจน
● ห้ามทิ้งแบตเตอรี่ไว้โดยไม่มีผู้ดูแลขณะชาร์จ
● หยุดการชาร์จเมื่อเต็ม และปรับสมดุลแรงดันของเซลล์เป็นระยะ
● หลีกเลี่ยงการชาร์จทันทีหลังการบิน; ควรปล่อยให้มีเวลาในการระบายความร้อนเพียงพอ

6.2 การควบคุมอุณหภูมิ
● เก็บแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมที่เย็นและแห้ง
● หลีกเลี่ยงการเผชิญหน้าโดรนกับแสงแดดโดยตรงเป็นเวลานาน
● ใช้ภาชนะที่ทนไฟหรือฉนวนความร้อนขณะขนส่ง

6.3 การเพิ่มประสิทธิภาพการจัดเก็บ
● รักษาระดับการชาร์จไว้ที่ 40–60% สำหรับการจัดเก็บในระยะยาว
● ชาร์จซ้ำทุก 1–3 เดือน เพื่อป้องกันการคายประจุลึก
● จัดเก็บแบตเตอรี่เป็นรายชิ้นเพื่อป้องกันการแพร่กระจายความร้อน

6.4 การป้องกันทางกล
● หลีกเลี่ยงการทำตกหรือกดทับแบตเตอรี่
● ป้องกันความชื้นและการสั่นสะเทือน
● ตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอเพื่อหาสัญญาณของความเสื่อมหรือการเปลี่ยนรูปร่าง

6.5 การตรวจสอบการใช้งาน
● ติดตามจำนวนรอบและตัวชี้วัดประสิทธิภาพผ่านระบบควบคุมการบิน
● เปลี่ยนแบตเตอรี่ที่แสดงพฤติกรรมแรงดันผิดปกติหรือความจุลดลง
● อัปเดตเฟิร์มแวร์อยู่เสมอเพื่อรับประโยชน์จากอัลกอริทึมการจัดการแบตเตอรี่ที่ได้รับการปรับปรุง

สรุป

การพองตัวของแบตเตอรี่ในระบบ UAV เป็นปรากฏการณ์ที่เกิดจากหลายปัจจัย ได้แก่ ความเครียดจากความร้อน การเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าเคมี ความเสียหายทางกล และการจัดเก็บที่ไม่เหมาะสม แม้ว่าการพองตัวชั่วคราวระหว่างการใช้งานอาจสามารถกลับคืนสภาพได้ แต่การพองตัวที่สังเกตเห็นระหว่างการจัดเก็บมักสะท้อนถึงความล้มเหลวภายในที่ไม่สามารถย้อนกลับได้
ด้วยการนำแนวทางการชาร์จ การจัดเก็บ และการตรวจสอบที่อิงหลักวิทยาศาสตร์มาใช้ ผู้ใช้งานสามารถลดการเกิดการพองตัวของแบตเตอรี่ได้อย่างมากและเพิ่มความปลอดภัยให้กับ UAV แม้ว่าความก้าวหน้าในด้านเคมีของแบตเตอรี่และระบบการจัดการจะช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือได้อย่างต่อเนื่อง แต่ความตระหนักรู้ของผู้ใช้ยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการป้องกันอันตรายที่เกี่ยวข้องกับการพองตัวของแบตเตอรี่