เป็นที่ทราบกันดีว่าในปัจจุบันรัฐบาลในหลาย ๆ ประเทศได้ให้การสนับสนุนการใช้รถยนต์ไฟฟ้าภายในประเทศมากขึ้น เช่น การออกนโยบายการลดภาษีนำเข้ารถยนต์ไฟฟ้าหรือการให้เงินอุดหนุนสำหรับการซื้อรถยนต์ไฟฟ้า เพื่อเป็นการสร้างแรงจูงให้ประชาชนในประเทศหันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้ากันมากขึ้น เนื่องด้วยทางรัฐบาลเล็งเห็นถึงความต้องการที่จะปรับลดการใช้พลังงานเชื้อเพลิงภายในประเทศ รวมถึงความต้องการใน การแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมจากการปล่อยมลพิษรถยนต์เครื่องยนต์แบบสันดาป อย่างไรก็ตามการที่ประชาชนในประเทศหันมาใช้รถยนต์ไฟฟ้าให้มากขึ้นนั้น ไม่ใช่เรื่องที่จะเกิดขึ้นได้ง่ายเลย เนื่องจากรถยนต์ไฟฟ้ายังมีข้อจำกัดอยู่ในหลาย ๆ ด้าน เช่น ในเรื่องจำนวนระยะทางการวิ่งต่อการชาร์จหนึ่งครั้งที่น้อยเกินไป (เฉลี่ยประมาณ 250 – 400 กิโลเมตร/การชาร์จไฟหนึ่งครั้ง) เรื่องของจำนวนสถานีชาร์จที่ยังไม่ทั่วถึงและไม่คลอบคลุมทั่วประเทศ หรือระยะเวลาในการชาร์จพลังงานหนึ่งครั้งที่ใช้เวลานานกว่าการเติมน้ำมันปกติ อีกทั้งข้อสงสัยในด้านความปลอดภัยของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าเมื่อเกิดการชนหรือแรงกระแทกอย่างรุนแรง จะเห็นได้ว่าปัญหาส่วนใหญ่ที่กล่าวนั้นมีความเกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าโดยตรง
ในปีที่ผ่านมาบริษัทผลิตแบตเตอรี่และรถยนต์ไฟฟ้าชั้นนำสัญชาติจีนอย่าง BYD ได้ประกาศเปิดตัวแบตเตอรี่รถยนต์ชนิดใหม่ โดยมีชื่อเรียกว่า Blade Battery ซึ่งกำลังเป็นที่ถูกพูดถึงอย่างกว้างขวางในปี 2021 - 2022 นี้ ว่าแบตเตอรี่ชนิดนี้จะเปลี่ยนมาตรฐานวงการรถยนต์ไฟฟ้าอย่างก้าวกระโดด หรือภาษาฝรั่งเรียกว่า Game changer จนกระทั่ง Elon musk มีความสนใจที่จะนำแบตเตอรี่ชนิดนี้ไปใช้ในรถยนต์ Tesla ในวันนี้เราจะมาพูดถึงประเด็นที่ว่า BYD’s Blade Battery รุ่นใหม่นี้ดีกว่าแบตเตอรี่แบบ LFP เดิมอย่างไร และแบตเตอรี่ชนิดนี้สามารถสร้างจุดเปลี่ยนอะไรบ้างต่อวงการรถยนต์ไฟฟ้า
การที่เราจะเข้าใจเรื่องนี้ได้อย่างถ่องแท้ เราต้องทำความรู้จักกับชนิดของแบตเตอรี่รถยนต์ฟ้าและสารเคมีที่อยู่ในแบตเตอรี่แต่ละชนิดด้วยกัน หากเราจะแบ่งชนิดของแบตเตอรี่รถยนต์ในท้องตลาดจากชนิดของสารเคมีที่อยู่ภายในนั้น เราสามารถแบ่งออกเป็น 3 ชนิดด้วยกันคือ Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC), Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA) และ Lithium Iron Phosphate (LFP) ในเรื่องความหนาแน่น ของพลังงานต่อปริมาตรหรือน้ำหนักแล้ว ปกติแบตเตอรี่ชนิด NMC จะมีประสิทธิภาพที่มากกว่าแบบ LFP แต่หากพูดถึงมาตรฐานในด้านความปลอดภัยแล้ว แบตเตอรี่ชนิด LFP จะมีมาตรฐานความปลอดภัยที่สูงกว่า NMC และ NCA เนื่องด้วยมี Decomposition temperature ที่สูงกว่า ที่ประมาณ 270 องศาเซลเซียส ในขณะที่แบตเตอรี่ชนิด NMC และ NCA มี Decomposition temperature ที่ประมาณ 210 และ 150 องศาเซลเซียส ตามลำดับ มาตรฐานความปลอดภัยที่สูงกว่านี้มาจากที่แบตเตอรี่ชนิด LFP เมื่อได้รับความเสียหายแล้ว จะปลดปล่อยความร้อนออกมาที่น้อยกว่าเพียงประมาณ 200 J/g ในขณะที่แบตเตอรี่ชนิด NMC และ NCA จะสามารถปลดปล่อยความร้อนออกมากถึง 600 และ 900 J/g ตามลำดับ ดังนั้น BYD Blade Battery ตัวใหม่นี้จึงเลือกใช้สารเคมีที่อยู่ภายในที่เป็นแบบ LFP
รูปที่ 1 : ตารางแสดงคุณสมบัติความปลอดภัยของสารเคมีในแบตเตอรี่รถยนต์ชนิด NMC, LFP และ NCA (แหล่งที่มา: บทความเรื่อง “RISKS ASSOCIATED WITH LITHIUM: CAN YOU REALLY TRUST A LITHIUM BATTERY?” (https://www.flashbattery.tech/en/safety-and-risks-of-lithium-battery/))
หากพูดถึงการทดสอบมาตรฐานความปลอดภัยของแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ต้องยกให้การทดสอบด้วยวิธี Nail penetration test ซึ่งถือเป็นหนึ่งในการทดสอบที่ยากที่สุด โดยลักษณะของการทดสอบนั้น คือการใช้ตะปูเจาะลงกลางเซลล์ของแบตเตอรี่ไปจนทะลุถึงอีกด้านหนึ่ง ซึ่งจะทำเกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในเซลล์ของแบตเตอรี่นำมาซึ่งความร้อนสะสมที่เพิ่มขึ้น โดยความร้อนสะสมนี้จะพุ่งขึ้นสูงอย่างรวดเร็วภายในไม่กี่วินาทีจนไปทำลายเซลล์แบตเตอรี่ข้างเคียงอย่างต่อเนื่อง ทำให้เกิดปฏิกิริยาที่เรียกว่า Thermal runaway จนทำให้อุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นสูง ในที่สุดจึงเกิดการเผาไหม้หรือระเบิดออกมา โดยในการทดสอบนี้ Blade Battery จากทาง BYD แสดงให้เห็นมาตรฐานความปลอดภัยที่สูงมากเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่แบบ NMC และ LFP แบตเตอรี่แบบดั้งเดิม การทดสอบแบตเตอรี่ทั้ง 3 ชนิดจากทาง BYD ด้วยวิธี Nail penetration แสดงดังรูปที่ 2 โดยแบตเตอรี่ชนิด NCM เมื่อทดสอบด้วยวิธีนี้จะเกิดการเผาไหม้และระเบิดออกมาอย่างชัดเจน และเกิดอุณหภูมิพื้นผิวมากถึง 500 องศาเซลเซียส ขณะที่แบตเตอรี่ชนิด LFP แบบดั้งเดิมนั้นไม่แสดงให้เห็นถึงการเผาไหม้แต่จะมีควันออกมาให้เห็นได้ชัด อย่างไรก็ตามอุณหภูมิพื้นผิวของแบตเตอรี่ก็ยังสูงอยู่ในช่วงประมาณ 200 – 400 องศาเซลเซียส จนสามารถทำให้ไข่ดิบสุกได้ ในทางกลับกันการทดสอบนี้ของ BYD Blade Battery นั้นกลับไม่แสดงลักษณะของการเผาไหม้หรือการเกิดควันออกมาให้เห็น มีเพียงแค่อุณหภูมิของพื้นผิวแบตเตอรี่ที่เปลี่ยนแปลงไปเพียงเล็กน้อยในช่วงประมาณ 30 – 60 องศาเซลเซียส แสดงให้เห็นว่าการเกิดปฏิกิริยาความร้อนสะสมนั้นแทบจะไม่มีเลยด้วยวิธี Nail penetration test ของ BYD Blade Battery ด้วยเหตุนี้แบตเตอรี่จากทาง BYD จึงถือว่ามีความปลอดภัยสูงมากในกรณีที่แบตเตอรี่ได้รับความเสียหายอย่างรุนแรง
รูปที่ 2 : การทดสอบมาตรฐานความปลอดภัยของแบตเตอรี่แบบ Nail penetration test จากทาง BYD ซึ่งแสดงให้เห็นถึงมาตรฐานความปลอดภัยที่สูงกว่า ของ BYD Blade Battery เมื่อเทียบกับ NCM และ LFP แบตเตอรี่แบบดั้งเดิม (แหล่งที่มา ช่องYouTube: Afriplus Energy by BYD Premium Chanel “BYD blade battery nail penetration test” (https://www.youtube.com/watch?v=WJNvgbzfClo))
สิ่งที่ทำให้ LFP แบตเตอรี่ของทาง BYD อยู่เหนือกว่ามาตรฐานความปลอดภัยของ LFP แบตเตอรี่ทั่วไปนั้น เกิดจากการออกแบบรูปร่างของเซลล์แบตเตอรี่รวมถึงรูปแบบในการจัดวางเซลล์แบตเตอรี่ โดยรูปทรงของเซลล์แบตเตอรี่ของทาง BYD นั้นจะถูกออกแบบมาในลักษณะที่คล้ายกับใบมีดจึงถูกเรียกว่า Blade คือมีความบางและรูปทรงที่ยาวกว่าแบตเตอรี่ทั่วไปที่มีการซ้อนทับและมีลักษณะเป็นก้อน ๆ โดยการออกแบบในลักษณะนี้ทำให้เซลล์แบตเตอรี่ของทาง BYD มีพื้นที่ผิวในการระบายความร้อนที่สูงมากจึงสามารถระบายความร้อนออกไปได้อย่างรวดเร็วเมื่อเทียบกับเซลล์แบตเตอรี่แบบก้อนสี่เหลี่ยม และไม่ทำให้เกิดความร้อนสะสม นอกจากนี้แล้ว ด้วยรูปทรงในลักษณะการวางตัวของเซลล์แบตเตอรี่ในรูปแบบคล้ายกับลักษณะของ heat sink ทำให้เซลล์แบตเตอรี่ถูกแยกออกจากกันอย่างชัดเจน และมีพื้นที่ให้อากาศเย็นไหลผ่านระหว่างเซลล์ของแบตเตอรี่ เมื่อเกิดไฟฟ้าลัดวงจรภายในเซลล์ตัวใดตัวหนึ่งหรือเกิดความร้อนสะสม จะทำให้เกิดความเสียงหายต่อเซลล์แบตเตอรี่ข้างเคียงได้ยาก ทำให้ไม่เกิดการลัดวงจรไฟฟ้าแบบต่อเนื่อง ดังนั้น ปฏิกิริยาการระเบิดหรือการเกิดไฟลุกจึงเกิดขึ้นได้ค่อนข้างยาก
รูปที่ 3: ลักษณะเซลล์แบตเตอรี่รถยนต์ของ BYD Blade Battery และการจัดเรียงเซลล์แบตเตอรี่ที่มีลักษณะใกล้เคียงกับลักษณะของ Heat sink ในอุปกรณ์คอมพิวเตอร์: (แหล่งที่มา: บทความเรื่อง “BYD Shows Off New Blade Battery Factory In Chongqing” (https://insideevs.com/news/427640/byd-shown-blade-battery-factory-chongqing/))
ด้วยความที่ Blade Battery ของ BYD ถูกออกแบบในลักษณะ cell-to-pack technology (CTP) ซึ่งทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานที่ค่อนข้างสูง โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมเซลล์แบตเตอรี่จะถูกแพ็คลงโมดูลก่อนจากนั้นจึงนำแต่ละโมดูลมาแพ็คเป็นก้อนแบตเตอรี่อีกที แต่การแพ็คแบบเดิมนี้จะเสียพื้นที่สำหรับบรรจุเซลล์แบตเตอรี่ค่อนข้างมาก เนื่องจากโมดูลแต่ละอันจำเป็นต้องมีวัสดุเสริมโมดูลเพื่อช่วยอำนวยความสะดวกในการเปลี่ยนโมดูลใหม่ในกรณีที่แบตเตอรี่เสื่อมสภาพ ดังนั้น volumetric cell-to-pack ratio (VCTPR) ในแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมจึงมีค่าค่อนข้างต่ำที่ประมาณ 50% หรือต่ำกว่านั้นคือ 40% ในขณะที่ Blade Battery จากทาง BYD เซลล์แบตเตอรี่แต่ละเซลล์สามารถูกแพ็คได้โดยตรง โดยไม่ต้องแพ็คเซลล์ลงโมดูลก่อน (module-free) ทำให้สามารถมีพื้นที่ในการเพิ่มจำนวนเซลล์แบตเตอรี่ได้มากขึ้น เมื่อสามารถเพิ่มจำนวนเซลล์แบตเตอรี่ความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่จึงเพิ่มมากขึ้นตามไปด้วย นอกจากจุดเด่นเรื่องความจุแล้ว Blade Battery จากทาง BYD ยังสามารถใช้เป็นวัสดุเสริมโครงสร้างเพื่อความแข็งแกร่งให้กับยานยนต์อีกด้วย ด้วยความที่เซลล์ของ Blade Battery มีลักษณะที่สมมาตรและถูกแพ็คเป็นก้อนแบตเตอรี่ได้โดยตรง ดังรูปที่ 4 ดังนั้น จึงสามารถรับแรงกดที่กระทำจากด้านบนหรือแนวแกน Z ได้ค่อนข้างสูงมากขนาดที่ว่าทาง BYD ได้ลองนำรถสิบล้อที่มีน้ำหนักมากถึง 46 ตัน มาเหยียบลงบนก้อนแบตเตอรี่ ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าแบตเตอรี่ยังสามารถคงรูปร่างในลักษณะที่ปกติได้ ไม่มีการเปลี่ยนแปลงในเรื่องอุณหภูมิที่เพิ่มสูงขึ้น และยังสามารถเอาแบตเตอรี่ที่ผ่านการทดสอบกลับไปติดตั้งในยานยนต์เพื่อใช้งานได้อีกครั้ง
จากจุดเด่นทั้งสองด้านนี้ แสดงให้เห็นถึงมาตรฐานความปลอดภัยของแบตเตอรี่ที่สูงในแบบที่ไม่เคยมีมาก่อน และความหนาแน่นของพลังงานในแบตเตอรี่ที่เหนือกว่าแบตเตอรี่ LFP แบบดั้งเดิม ดังนั้น สองเหตุผลข้อสำคัญของแบตเตอรี่นี้ อาจทำให้วงการแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าต้องสั่นสะเทือน หลายค่ายรถยนต์ยักษ์ใหญ่อาจต้องหันมามองแบตเตอรี่จากทาง BYD เพื่อนำไปใช้กับยานยนต์ไฟฟ้าในค่ายรถยนต์ของตัวเอง ในอนาคตเราอาจได้เห็นรถยนต์ไฟฟ้าที่มีความปลอดภัยสูง เมื่อเกิดการชนจะไม่เกิดไฟไหม้หรือระเบิดจากตัวแบตเตอรี่ และรถยนต์ไฟฟ้าสามารถวิ่งได้ไกลมากกว่า 500 กิโลเมตรต่อการชาร์จพลังงานหนึ่งครั้ง ออกมาในราคาที่ประชาชนทั่วไปสามารถเข้าถึงได้ง่าย และสามารถเห็นรถยนต์ไฟฟ้าวิ่งอยู่ตามท้องถนนมากกว่ารถยนต์เครื่องยนตร์แบบสันดาป
รูปที่ 4 การแพ็คเซลล์แบตเตอรี่แบบ module-free เทียบกับการแพ็คเซลล์แบตเตอรี่แบบดั้งเดิม (ซ้าย), การทดลองแรงกดในแนวแกน Z จากทาง BYD Global ที่ถูกโพสต์ลงบน Twitter (ขวา) (แหล่งที่มา: บทความเรื่อง “The Next-Generation Battery Pack Design: from the BYD Blade Cell to Module-Free Battery Pack”(https://medium.com/batterybits/the-next-generation-battery-pack-design-from-the-byd-blade-cell-to-module-free-battery-pack-2b507d4746d1))
โดย นายจิรวัฒน์ จิตภักดี
สาขาภาคกลางตอนกลาง
สำนักงานส่งเสริมเศรษฐกิจดิจิทัล
อ้างอิงจาก:
