
การทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่มีผลต่อปฏิกิริยาเคมีภายในเป็นอย่างมาก เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเพียง 10 องศาเซลเซียสจากอุณหภูมิห้อง (ประมาณ 77°F) ไอออนภายในจะเคลื่อนที่เร็วขึ้น 40 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ส่งผลให้แบตเตอรี่นำไฟฟ้าได้ดีขึ้น แต่ก็อาจทำให้ชิ้นส่วนเสื่อมสภาพลงตามเวลา อุณหภูมิที่ร้อนเกิน 70°C (ประมาณ 158°F) จะยิ่งทำให้สถานการณ์แย่ลง ณ จุดนี้ ชั้น SEI หรือ Solid Electrolyte Interphase ซึ่งเป็นชั้นป้องกันที่สำคัญต่อการปกป้องขั้วไฟฟ้าจะเริ่มเสื่อมสลายไป เมื่อชั้นนี้เสื่อมสภาพ แบตเตอรี่จะสูญเสียความจุอย่างถาวร ในทางกลับกัน สภาพอากาศเย็นก็สร้างปัญหาเช่นกัน เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 5°C (ประมาณ 41°F) ของเหลวภายในแบตเตอรี่จะหนืดขึ้นมาก ทำให้ไอออนเคลื่อนที่ผ่านได้ยาก ส่งผลให้พลังงานที่ใช้ได้มีปริมาณลดลง โดยประมาณการว่าพลังงานที่แบตเตอรี่จ่ายได้อาจลดลง 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์
เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง แบตเตอรี่จะเผชิญกับปัญหาที่ร้ายแรงหลายประการ อิเล็กโทรไลต์ภายในจะหนาขึ้นอย่างมากที่ประมาณ -20 องศาเซลเซียส (-4 ฟาเรนไฮต์) ทำให้ความหนืดเพิ่มขึ้นระหว่าง 300 ถึง 500 เปอร์เซ็นต์ ในเวลาเดียวกัน ความสามารถของแบตเตอรี่ในการรับประจุจะลดลงประมาณ 60% ปัญหาเหล่านี้รวมกันทำให้ความต้านทานภายในพุ่งสูงขึ้น 200 ถึง 400 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับสภาวะอุณหภูมิห้องปกติ ผลลัพธ์คือระบบลิเธียมไอออน 48 โวลต์เหล่านี้จำเป็นต้องทำงานหนักขึ้นเพื่อให้สามารถทำงานได้อย่างเหมาะสม การพิจารณาตัวเลขประสิทธิภาพจริงจากรถยนต์ไฟฟ้าที่ใช้งานในสภาพอากาศแถบอาร์กติกยังเผยให้เห็นสิ่งที่น่ากังวลไม่น้อยไปกว่ากัน ผู้ขับขี่รายงานว่าสูญเสียระยะทางการขับขี่ปกติเกือบหนึ่งในสี่ เนื่องจากปัญหาทั้งหมดที่กล่าวมา ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์โดยสมาคมอิเล็กโทรเคมี (Electrochemical Society) ในปี 2023
เมื่อแบตเตอรี่ถูกทิ้งไว้นานเกินไปในสภาพแวดล้อมที่ร้อนประมาณ 45 องศาเซลเซียส (เท่ากับประมาณ 113 องศาฟาเรนไฮต์) จะเริ่มเสื่อมสภาพเร็วกว่าปกติ อายุการใช้งานจะลดลงประมาณสองเท่าครึ่ง เมื่อเทียบกับการเก็บรักษาในสภาวะที่เหมาะสม ผลการทดสอบล่าสุดในปี 2023 เกี่ยวกับการเสื่อมสภาพจากความร้อนแสดงให้เห็นข้อมูลที่ค่อนข้างชัดเจน: แบตเตอรี่ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงนี้สูญเสียความจุไปประมาณ 15% หลังจากการชาร์จเพียง 150 รอบ ในขณะที่แบตเตอรี่ที่รักษาไว้ที่อุณหภูมิห้อง (ประมาณ 25 องศาเซลเซียส) สูญเสียเพียงประมาณ 6% เท่านั้น และยังมีอีกปัญหาหนึ่งที่เกิดขึ้นอยู่ใต้ผิวหนัง เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเกิน 40 องศาเซลเซียส ชั้น SEI ภายในแบตเตอรี่เหล่านี้จะเติบโตเร็วขึ้นถึงสามเท่าของปกติ ซึ่งหมายความว่าไอออนลิเธียมจะถูกจับตัวและไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อีกต่อไป ทำให้วัสดุที่สามารถใช้งานได้ภายในเซลล์แบตเตอรี่ลดลงอย่างช้าๆ ตามเวลาที่ผ่านไป
เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง จะเกิดปัญหาเกี่ยวกับพฤติกรรมของไอออนลิเธียมภายในแบตเตอรี่ โดยไอออนเหล่านี้จะไม่เคลื่อนที่เข้าสู่ตำแหน่งที่ถูกต้องในวัสดุขั้วบวก แต่เริ่มสะสมเป็นโลหะที่ผิวหน้าแทน สิ่งที่เกิดขึ้นต่อมาคือ การสะสมดังกล่าวก่อให้เกิดปัญหาหลายประการ โดยเฉพาะเพิ่มความเสี่ยงของการลัดวงจรได้ประมาณ 80% ซึ่งถือว่าร้ายแรงมาก นอกจากนี้ยังทำให้ความจุโดยรวมของแบตเตอรี่ลดลงอย่างรวดเร็วตามเวลาที่ผ่านไป อย่างไรก็ตาม ขณะนี้มีเครื่องมือวินิจฉัยที่สามารถตรวจจับสัญญาณเริ่มต้นของการสะสมโลหะได้ก่อนที่สถานการณ์จะเลวร้ายลง บริษัทที่เกี่ยวข้องกับปัญหานี้จึงจำเป็นต้องกำหนดกฎระเบียบที่เข้มงวดมากเกี่ยวกับอัตราการชาร์จแบตเตอรี่เมื่ออุณหภูมิภายนอกต่ำ โดยส่วนใหญ่จะจำกัดอัตราการชาร์จสูงสุดไว้ไม่เกิน 0.2C เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมต่ำกว่าห้าองศาเซลเซียส
พฤติกรรมการถ่ายเทความร้อนของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 48V มีความแตกต่างกันค่อนข้างมาก ขึ้นอยู่กับตำแหน่งที่ใช้งาน ตัวอย่างเช่น ในรถยนต์ไฟฟ้า โมเดลส่วนใหญ่ในปัจจุบันพึ่งพาการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบอ้อม เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ให้อยู่ต่ำกว่า 40 องศาเซลเซียสขณะขับขี่บนทางหลวง ซึ่งช่วยคงกำลังความสามารถของแบตเตอรี่ไว้ได้ประมาณ 98 เปอร์เซ็นต์ แม้หลังจากผ่านกระบวนการชาร์จเต็มครบ 1,000 รอบแล้ว ก็ตาม อย่างไรก็ตาม สถานการณ์จะซับซ้อนมากขึ้นเมื่อพิจารณาติดตั้งระบบเก็บพลังงานจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนในเขตทะเลทราย เนื่องจากระบังเหล่านี้ต้องเผชิญกับช่วงเวลาที่อุณหภูมิแวดล้อมสูงเกิน 45 องศาเซลเซียสเป็นเวลานาน ส่งผลให้ความสามารถของแบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วกว่าหน่วยที่ติดตั้งในพื้นที่เย็นลงประมาณ 12 เปอร์เซ็นต์ เพื่อลดปัญหาดังกล่าว ผู้ผลิตได้พัฒนาระบบจัดการแบตเตอรี่ขั้นสูง หรือ BMS (Battery Management Systems) ซึ่งระบบอัจฉริยะเหล่านี้จะปรับความเร็วในการชาร์จโดยอัตโนมัติ และเปิดใช้งานกลไกการระบายความร้อนทันทีที่ตรวจพบว่าเซลล์แบตเตอรี่แต่ละตัวเริ่มร้อนเกินไป โดยปกติเมื่ออุณหภูมิเข้าใกล้ 35 องศาเซลเซียส ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมมองว่าเทคโนโลยีนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมที่ท้าทาย
ตามการศึกษาปี 2023 เกี่ยวกับหุ่นยนต์ในคลังสินค้า พบว่าแบตเตอรี่ที่มีแรงดัน 48 โวลต์ ซึ่งเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทุกวันจากลบ 10 องศาเซลเซียส ไปจนถึง 50 องศาเซลเซียส สูญเสียพลังงานไปประมาณ 25 เปอร์เซ็นต์ หลังจากใช้งานเพียง 18 เดือนเท่านั้น ซึ่งเป็นอัตราการเสื่อมสภาพที่เร็วกว่าสามเท่า เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่เก็บรักษาในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมอุณหภูมิไว้ เมื่อนักวิจัยถอดแบตเตอรี่ที่เสียเหล่านี้ออกมาตรวจสอบอย่างละเอียด พวกเขาพบปัญหา เช่น การเคลือบลิเธียม (lithium plating) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุปกรณ์เริ่มทำงานในสภาวะอากาศเย็น รวมถึงปัญหาแผ่นแยก (separators) หดตัวเมื่ออุณหภูมิสูงเกินไป ในทางกลับกัน แบตเตอรี่สำหรับอุตสาหกรรมที่ออกแบบมาพร้อมระบบจัดการความร้อน (thermal management systems) กลับแสดงผลการดำเนินงานที่ดีกว่ามาก โดยแบตเตอรี่เหล่านี้ใช้วัสดุเปลี่ยนเฟสพิเศษ (phase change materials) ซึ่งช่วยให้ความต้านทานไฟฟ้าคงที่อยู่ในระดับใกล้เคียงกับบวกหรือลบ 3 เปอร์เซ็นต์ ตลอด 2,000 รอบการชาร์จ สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความสำคัญของการควบคุมอุณหภูมิอย่างเหมาะสมสำหรับแบตเตอรี่ที่ทำงานภายใต้สภาวะแวดล้อมที่รุนแรง
การใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 40°C จะเร่งการเสื่อมสภาพ ทำให้อายุการใช้งานลดลงได้ถึง 40% เมื่อเทียบกับ 25°C (Nature 2023) อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะทำให้ชั้น SEI เสถียรภาพลดลง และส่งเสริมการสลายตัวทางความร้อน ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียความจุอย่างถาวร ที่อุณหภูมิ 45°C แบตเตอรี่อาจสูญเสียความจุเริ่มต้นไป 15–20% ภายใน 300 รอบการชาร์จ ซึ่งเกิดจากการเสื่อมสภาพของขั้วบวกและการออกซิเดชันของอิเล็กโทรไลต์
อุณหภูมิสูงเป็นต้นเหตุหลักของการเสียหายสามประการ:
ปฏิกิริยาเอกซ์โซเทอร์มิกเหล่านี้สามารถสร้างปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนด้วยตนเองได้ การศึกษาแสดงให้เห็นว่า ทุกๆ การเพิ่มขึ้น 10°C เหนือระดับ 30°C จะทำให้อัตราการสะสมลิเธียมบนอานโอดเพิ่มเป็นสองเท่า ซึ่งถือเป็นปัจจัยสำคัญที่นำไปสู่ภาวะความร้อนล้น (thermal runaway)
เซลล์ลิเธียมไอออนจะเริ่มเข้าสู่ภาวะวิกฤตเมื่ออุณหภูมิภายในถึงประมาณ 150 องศาเซลเซียส ณ จุดนั้น เซลล์จะเข้าสู่สิ่งที่เรียกว่าภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) โดยพื้นฐานคือปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ความร้อนที่เกิดขึ้นมีอัตราเพิ่มขึ้นเร็วกว่าที่จะระบายออกได้ ผลลัพธ์คืออะไร? จากการศึกษาหลายชิ้นของอุตสาหกรรมระบุว่า เซลล์อาจปล่อยก๊าซ พวยพุ่งไฟ หรือแม้แต่ระเบิดภายในไม่กี่วินาที อย่างไรก็ตาม ระบบจัดการแบตเตอรี่แบบใหม่ได้ช่วยลดปัญหาเหล่านี้ลงไปได้อย่างมาก โดยผู้ผลิตรายงานว่าเหตุการณ์ลักษณะนี้ลดลงเกือบ 97 เปอร์เซ็นต์ ตั้งแต่ปี 2018 ตามรายงานของ Energy Storage News เมื่อปีที่แล้ว ถึงกระนั้น ระบบแรงดัน 48 โวลต์ยังคงมีความเสี่ยงต่อสถานการณ์ล้มเหลวที่อันตรายอยู่ เช่น:
| ปัจจัยเสี่ยง | ค่าเกณฑ์ผลกระทบ | ผลกระทบ |
|---|---|---|
| เยื่อแยกหลอมละลาย | 130°C | วงจรสั้นภายใน |
| การลุกติดของอิเล็กโทรไลต์ | 200 องศาเซลเซียส | การแพร่กระจายของเปลวไฟ |
| การสลายตัวของแคโทด | 250°C | การปล่อยก๊าซพิษ |
ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟและการตรวจสอบอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องมีความจำเป็นอย่างยิ่งเพื่อป้องกันผลลัพธ์ที่รุนแรงในสถานการณ์ที่มีความร้อนสูง
แบตเตอรี่ไอออนลิเธียมทำงานได้ไม่ดีเมื่ออุณหภูมิลดต่ำ เนื่องจากไอออนภายในต้องเผชิญกับความต้านทานที่เพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลง เมื่อพูดถึงอุณหภูมิประมาณลบ 20 องศาเซลเซียส (หรือประมาณลบ 4 องศาฟาเรนไฮต์) ความจุของแบตเตอรี่จะลดลงเหลือเพียงประมาณ 60% ของความจุปกติที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้ายังลดลงประมาณ 30% สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น รถยนต์ไฟฟ้า หรือระบบเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ที่ติดตั้งในพื้นที่ห่างไกลจากโครงข่ายไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการพลังงานที่สม่ำเสมอแม้ในช่วงที่อากาศหนาวจัด แต่สภาพอากาศหนาวเย็นทำให้การจ่ายพลังงานที่เสถียรเป็นไปได้ยากยิ่งขึ้น
เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง (ซึ่งเท่ากับ 32°F สำหรับผู้ที่ยังใช้หน่วยฟาเรนไฮต์) จะเกิดปัญหาใหญ่ๆ สองประการขึ้น โดยปัญหาแรกคือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าลิเธียมเพลทติ้ง (lithium plating) ซึ่งเป็นการสะสมของลิเธียมในรูปโลหะบนขั้วลบของแบตเตอรี่ สิ่งนี้ไม่ใช่แค่ทำให้รำคาญเท่านั้น แต่จากการศึกษาของ Battery University พบว่าทุกครั้งที่เกิดเหตุการณ์นี้ แบตเตอรี่จะสูญเสียความจุโดยรวมประมาณ 15 ถึง 20% อย่างถาวร อีกปัญหาหนึ่งคือเรื่องอิเล็กโทรไลต์ เมื่ออุณหภูมิต่ำลงถึงลบ 30 องศาเซลเซียส ของเหลวภายในแบตเตอรี่จะหนืดขึ้นถึงแปดเท่าของสภาพปกติ เปรียบเสมือนพยายามเทน้ำผึ้งผ่านหลอดดูด ในขณะที่มันควรไหลได้อย่างอิสระ อิเล็กโทรไลต์ที่หนืดขึ้นนี้ทำให้ไอออนเคลื่อนที่ได้ยากมากขึ้น ส่งผลให้แบตเตอรี่ไม่สามารถชาร์จเต็มได้จริงๆ อุปกรณ์ชาร์จแบตเตอรี่เชิงอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มักมีองค์ประกอบทำความร้อนในตัวหรือระบบควบคุมอุณหภูมิอื่นๆ เพื่อป้องกันปัญหานี้ แต่เครื่องชาร์จทั่วไปสำหรับผู้บริโภค? มักไม่มีมาตรการความปลอดภัยดังกล่าว ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมคนจำนวนมากจึงทำให้แบตเตอรี่เสียหายโดยที่ไม่รู้ตัว
การทดลองภาคสนามแสดงให้เห็นว่า กล่องควบคุมอุณหภูมิในสถานีผลิตพลังงานแถบอาร์กติกสามารถยืดอายุการใช้งานของวงจรได้เพิ่มขึ้น 23% เมื่อเทียบกับระบบที่ไม่มีการจัดการ
ช่วงการทำงานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 48V คือ 20°C ถึง 30°C (68°F ถึง 86°F) ตามที่ยืนยันโดยการศึกษาอุตสาหกรรมในปี 2025 ด้านการบินไฟฟ้า ต่ำกว่า 15°C ความจุที่ใช้งานได้จะลดลง 20–30% การทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิเกิน 40°C จะเร่งการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์เพิ่มขึ้นสี่เท่าเมื่อเทียบกับอุณหภูมิห้อง
BMS รุ่นใหม่รวมเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิแบบกระจายและอัลกอริธึมปรับตัว เพื่อรักษาระดับสมดุลอุณหภูมิ การศึกษาเชิงออกแบบหลายชั้นในปี 2021 แสดงให้เห็นว่า BMS ขั้นสูงสามารถลดความแตกต่างของอุณหภูมิภายในแพ็คได้ 58% โดยการกระจายภาระงานแบบไดนามิกและการปรับอัตราการชาร์จ
วิศวกรยุคใหม่กำลังนำวัสดุเปลี่ยนเฟสมาใช้งาน ซึ่งสามารถดูดซับความร้อนได้ประมาณ 140 ถึง 160 กิโลจูลต่อกิโลกรัมเมื่อเกิดการพุ่งขึ้นของอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ร่วมกับชั้นฉนวนเซรามิกที่แทบไม่นำความร้อนเลย (เพียง 0.03 วัตต์ต่อเมตรเคลวิน) แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวยังช่วยควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในระดับต่ำ ทำให้มั่นใจได้ว่าอุณหภูมิผิวจะไม่เพิ่มขึ้นเกิน 5 องศาเซลเซียส แม้ในช่วงการชาร์จเร็วระดับ 2C ที่เข้มข้น ซึ่งผ่านการทดสอบความมั่นคงทางความร้อนในปีที่แล้วมาได้อย่างดี องค์ประกอบต่างๆ เหล่านี้ทำงานร่วมกันอย่างกลมกลืน ทำให้แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและสม่ำเสมอ ไม่ว่าจะเผชิญกับสภาพอากาศหรือสภาพการใช้งานแบบใดก็ตามในสนามจริง