เราควรรู้จักกระบวนการสะสมความร้อนและดูดซับความร้อน รวมถึงการบำรุงรักษาแบตเตอรี่เบื้องต้นเพื่อให้แบตเตอรี่นั้นคงสภาพได้นานและไม่เกิดการสะสมความร้อนจนก่อให้เกิดการระเบิดหรือใช้งานไม่ได้ (Thermal runaway) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่จะมีปฏิกิริยาที่สำคัญในการผลิตความร้อนหรือดูดซับความร้อนในเชิงของปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ (Reversible process) และปฏิกิริยาที่ผันกลับไม่ได้ (Irreversible process) [1]
ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้ หากกล่าวถึงด้านเคมี คือ ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้จะเกิดจากสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารใหม่ และสารใหม่สามารถย้อนกลับมาเป็นสารตั้งต้นได้อีก แต่ในเชิงของไฟฟ้าเคมีของแบตเตอรี่นั้นคือการที่เราให้ศักย์ไฟฟ้าหรือชาร์ตพลังงานไฟฟ้าเข้าไปยังตัวแบตเตอรี่แล้วเมื่อเรานำกระแสไฟฟ้าในแบตเตอรี่ไปใช้งานจนหมดเราก็สามารถชาร์ตแบตเตอรี่หรือให้กระแสเข้าไปยังตัวแบตเตอรี่ใหม่ได้
ปฏิกิริยาที่ผันกลับไม่ได้ คือ ปฏิกิริยาที่ผันกลับได้จะเกิดจากสารตั้งต้นที่ทำปฏิกิริยากันเกิดเป็นสารใหม่ และสารใหม่ไม่สามารถย้อนกลับมาเป็นสารตั้งต้นได้อีก ในการใช้งานของแบตเตอรี่นั้นจะเกิดจากการสะสมความร้อนภายในตัวแบตเตอรี่ทำให้เกิดแบตเตอรี่เสื่อมสภาพและใช้งานไม่ได้ในที่สุด โดยปัจจัยที่ส่งผลต่อการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ ได้แก่ ความต้านทานทางไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ปฏิกิริยาเคมีระหว่างเซลล์แบตเตอรี่ การเปลี่ยนสถานะของแบตเตอรี่ และการแพร่ความร้อนหรือการถ่ายโอนความร้อนทั้งภายในและภายนอกของแบตเตอรี่ ดังรูปที่ 1
รูปที่ 1 กระบวนการสะสมและการดูดซับความร้อนของแบตเตอรี่
ปัจจัยเหล่านี้จะส่งผลต่อ SOC (State of charge) กระแสไฟฟ้า และอุณหภูมิของตัวแบตเตอรี่ โดยจะนำนำไปสู่การสะสมความร้อนหรือการดูดซับความร้อนภายในตัวแบตเตอรี่ ในเคสที่อันตรายที่สุดหากความร้อนเหล่านี้ถูกสะสมไปเรื่อย ๆ ก็จะเกิด Thermal runaway และระเบิดในที่สุด จึงต้องมีการระบายความร้อนของตัวแบตเตอรี่เรียกว่าระบบระบายความร้อนหรือระบบจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ (Battery Thermal Management Systems: BTMSs) ซึ่งระบบระบายความร้อนที่ใช้ ได้แก่ ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ ของเหลว หรือแม้กระทั่งการใช้แผ่นกระจายความร้อน เป็นต้น โดยสามารถอธิบายจากแผนภูมิรูปภาพได้ ดังรูปที่ 2
รูปที่ 2 ระบบระบายความร้อนของแบตเตอรี่
การระบายความร้อนด้วยอากาศ (Air cooling) เป็นระบบที่ใช้กันอย่างกว้างขวาง เพราะเป็นวิธีที่ประหยัดค่าใช้จ่าย โดยตัวอากาศจะมีน้ำหนักเบา สามารถออกแบบระบบเพื่อไม่ให้เกิดการรั่วไหลและดูแลระบบได้ง่าย โดยอากาศจะระบายความร้อนจากการไหลที่ต่อเนื่องผ่านแบตเตอรี่ ในขณะที่อากาศจะแบ่งเป็น 2 ส่วน คือ Active air cooling เป็นการพาความร้อนที่บังคับทิศทางการไหลของอากาศ และ Passive air cooling ที่เป็นการพาความร้อนแบบธรรมชาติ ในที่นี้การระบายความร้อนแบบบังคับหรือ Active ซึ่งทิศทางการไหลและประสิทธิภาพในการระบายความร้อนจะดีกว่า ระบบนี้มีการใช้ในหลายธุรกิจ เช่น Nissan e-NV, Toyota Prius และ Honda Insight เป็นต้น อย่างไรก็ตามควรจะมีการออกแบบลักษณะของรูปแบบเซลล์แบตเตอรี่ ระยะห่างระหว่างแบตเตอรี่ และอัตราการไหลของอากาศให้เหมาะสมกับลักษณะงานที่ใช้ โดยงานที่ใช้ทั่วไปจะเหมาะกับระบบที่มีการกระจายตัวของความร้อนไม่มาก ดังรูปที่ 3
รูปที่ 3 การระบายความร้อนด้วยอากาศ [2]
2. การระบายความร้อนด้วย Surface cooling และ Tab cooling โดยจะเป็นการใช้วัสดุที่สามารถกระจายความร้อนได้ดี ทนความร้อนได้สูง เช่น เซรามิค (Ceramic) อะลูมิเนียม (Aluminum) ซึ่งทั้ง 2 วิธีนี้ จะมีลักษณะแตกต่างกัน คือ
Surface cooling จะประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมที่ต้องมีการกระจายความร้อนสูง เนื่องจากวัสดุที่ใช้กระจายความร้อนจะมีหน้าตัดขนาดใหญ่กว่าตัว Tab โดยลักษณะของ Surface cooling จะทำมาจากอะลูมิเนียมอัลลอยด์ ซึ่งจะช่วยทำให้เกิดการนำความร้อนได้ดี แต่ข้อจำกัดการใช้งานระบบระบายความร้อนชนิดนี้จะทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านในและด้านนอกของตัวแบตเตอรี่มาก (Thermal gradience) ทำให้ส่งผลต่อประสิทธิภาพของตัวแบตเตอรี่
Tab cooling จะเป็นลักษณะแผ่น tab ที่ทำจากเซรามิคติดตามแนวด้านข้างหรือด้านบนของตัวแบตเตอรี่ โดยจะทำให้การกระจายตัวของอุณหภูมิไม่เกิดความแตกต่างกันมากเกินไปส่งผลทำให้ประสิทธิภาพการทำงานของแบตเตอรี่มีมากกว่าแบบ Surface cooling ลักษณะระบบระบายความร้อนชนิดนี้จะประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรมที่มีการกระจายความร้อนไม่มาก เนื่องจากหน้าตัดและแผ่นตัว Tab จะมีขนาดเล็ก ดังรูปที่ 4
รูปที่ 4 การระบายความร้อนด้วย Surface cooling และ Tab cooling [1]
3. การระบายความร้อนด้วย Phase change materials (PMCs) เป็นหนึ่งวิธีที่ได้รับความสนใจเป็นอย่างมาก เป็นการนำเอาวัสดุที่สามารถเปลี่ยนสถานะได้มาใช้งานเพื่อระบายความร้อน เช่น วัสดุที่เปลี่ยนสถานะของแข็ง-ของเหลวหรือวัสดุที่เปลี่ยนสถานะของเหลว-แก๊ส วัสดุเหล่านี้จะมีค่าความร้อนแฝง (Latent heat) เพื่อใช้ในการเปลี่ยนสถานะของตัวมันเอง เพื่อรักษาอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมให้คงที่หรือเปลี่ยนแปลงไปเล็กน้อย ตัวอย่างเช่น หากวัสดุเป็นของแข็งจะรับดูดความร้อนจากระบบหรือตัวแบตเตอรี่มาเพื่อเปลี่ยนสถานะตัวมันเองให้เป็นของเหลว แล้วเมื่อระบบเย็นลงจะกลับมาเป็นรูปแบบของของแข็งเหมือนเดิมผ่านการถ่ายเทพลังงานออกสู่สิ่งแวดล้อม วัสดุที่นิยมนำมาใช้ ได้แก่ พาราฟฟิน (Paraffin) เป็นต้น ดังรูปที่ 5 อย่างไรก็ตามต้องมีการพัฒนาวัสดุต่อไป เนื่องจากค่าการนำความร้อนของวัสดุและการเป็นฉนวนไฟฟ้ายังไม่มาก
รูปที่ 5 การระบายความร้อนด้วย PMCs [3]
4. ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว (Liquid cooing) เนื่องจากการระบายความร้อนด้วยอากาศมีข้อจำกัดในเรื่องของค่าความจุความร้อน (Specific heat capacity) ที่ต่ำกว่าสารชนิดอื่น ๆ ดังนั้นจึงได้มีการใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมาใช้งาน โดยมีระบบระบายความร้อนทั้งหมด 2 แบบ คือ
แบบที่ของเหลวสัมผัสทางอ้อมกับตัวแบตเตอรี่ (Indirect cooling) การแช่ของเหลวสัมผัสทางอ้อม เป็นการนำของเหลวมาใส่ในตัวท่อหรือแผ่นที่ใช้ในการบรรจุของเหลว โดยของเหลวที่นิยมใช้มาก ได้แก่ Water/glycol การแช่ชนิดนี้จะมีข้อดี คือ ทำให้การกระจายตัวของอุณหภูมิสม่ำเสมอกัน ค่าความจุความร้อนเหมาะสม และสามารถควบคุมอุณหภูมิได้ดี แต่มีข้อเสีย คือ มีความยุ่งยากในการติดตั้งระบบ และวัสดุที่ใช้ในการบรรจุสารหล่อเย็นรวมถึงต้องคำนึงถึงการรั่วไหลอีกด้วย ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 การระบายความร้อนด้วยของเหลวทางอ้อม [1]
แบบที่ของเหลวสัมผัสโดยตรงกับแบตเตอรี่หรือเรียกว่าการแช่ (Immersion cooling) ระบบระบายความร้อนแบบที่ของเหลวสัมผัสโดยการแช่นั้นเหมาะสมกับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอุตสาหกรรมรถไฟฟ้าเป็นอย่างมาก เนื่องจากสารละลายที่ใช้จะไม่นำไฟฟ้าจึงไม่ทำให้แบตเตอรี่เกิดการช็อตและระบบไฟฟ้าเกิดการช็อต ส่วนของเหลวที่ใช้ ได้แก่ น้ำมันไฮโดรคาร์บอน น้ำมันซิลิโคน และสารประกอบไฮโดรคาร์บอนของฟลูออรีน โดยสารเหล่านี้ทำให้แบตเตอรี่กระจายความร้อนได้ดีนอกจากนี้วิธีการนี้ยังมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบระบบระบายความร้อนแบบที่ของเหลวสัมผัสทางอ้อม ดังรูปที่ 7
รูปที่ 7 การระบายความร้อนด้วยของเหลวทางตรง [1]
ลักษณะของการแช่แบตเตอรี่นั้นจะแบ่งออกเป็น 2 ลักษณะ คือ
1.การแช่แบบ Single-phase immersion หลักการทำงาน: เป็นการนำแบตเตอรี่มาแช่ในของเหลวที่มีคุณสมบัติจุดเดือดสูง (High boiling point) ไม่นำไฟฟ้า (Electrolyte solution) ไม่ติดไฟ (Non-flammable) เพื่อระบายป้องกันไม่ให้เกิดการช็อตของแบตเตอรี่ อีกทั้งสามารถนำและพาความร้อนได้ดีเพื่อไม่ให้เกิดการสะสมความร้อน ซึ่งลักษณะการแช่จะเป็นดังรูปที่ 8 โดยข้อดีคือไม่ยุ่งยากซับซ้อนในการติดตั้งระบบ สามารถทำได้ง่าย มีค่าใช้จ่ายไม่มาก โดยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่แนะนำ ได้แก่ AGC Asahiklin AC6000, 3M Novec 7200 และ Inventec Thermosolv IM7
2. การแช่แบบ Two-phase immersion หลักการทำงาน: เป็นการนำแบตเตอรี่มาแช่ในของเหลวที่มีคุณสมบัติไม่นำไฟฟ้า (Electrolyte solution) ไม่ติดไฟ (Non-flammable) เช่นเดียวกัน แต่จะมีการให้ความร้อนเพื่อให้เกิดฟองอากาศที่เรียกว่า Boiling เข้ามาเพื่อทำให้เกิดการหมุนวนของกระแสน้ำแบบ Turbulent Flow การหมุนวนลักษณะนี้จะช่วยทำให้เกิดการพาความร้อนได้ดี (Convection heat transfer) โดยข้อดีคือใช้สารที่มีจุดเดือดต่ำได้ (ควรเหมาะสมกับช่วงความร้อนของการใช้งาน) ทำให้เกิดการพาความร้อนได้ดีกว่าแบบ Single phase ซึ่งลักษณะการแช่จะเป็นดังรูปที่ 9 โดยสารละลายอิเล็กโทรไลต์ที่แนะนำ ได้แก่ 3M Novec 7100, Inventec Thermosolv IM1, Inventec Thermosolv IM2, Inventec Thermosolv IM7 และ AGC Asahiklin AE3000
สารที่นำมาใช้ในการแช่เย็นด้วยของเหลวควรมีคุณสมบัติ ดังนี้
ไม่ติดไฟ (No flammability)
ไม่นำไฟฟ้า (No electric conductivity)
แรงตึงผิวต่ำ (Low surface tension)
มีจุดเดือดและจุดเยือกแข็เหมาะสมสำหรับการใช้งาน (Suitability for use range)
ค่าการนำความร้อนมาก (High thermal conductivity)
ค่าการพาความร้อนมาก (High thermal convection)
เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม (Eco-friendly)
โดยสารที่มีคุณสมบัติดังกล่าวมีดังนี้
3M Novec 7000
3M Novec 7100
3M Novec 7200
3M Novec 7300
Inventec Thermasolv IM1
Inventec Thermasolv IM2
Inventec Thermasolv IM7
Inventec Thermasolv CF1
Inventec Thermasolv CF2
Inventec Thermasolv CF3
ติดต่อ
บริษัท ออแกนนิค เวลท์ (ประเทศไทย) จำกัด
โทร 02-183-8709 , 084-021-1717 , 095-952-9053
Line : @owt123
Email : cs@organic-wealth.com
อ้างอิง
[1] Roe, C., Feng, X., White, G., Li, R., Wang, H., Rui, X., ... & Wu, B. (2022). Immersion cooling for lithium-ion batteries–A review. Journal of Power Sources, 525, 231094.
[2] https://cicenergigune.com/en/blog/battery-thermal-management-system-btms-electric-vehicle. Access date 14 Dec 2023.
[3] https://theconstructor.org/building/phase-change-materials-pcms-for-building-applications/564050/. Access date 14 Dec 2023.
